曲面计算机全息图可以增加全息显示的视场。然而, 繁重的计算量仍然是实时生成曲面计算机全息图的阻碍。提出了一种基于双步菲涅尔衍射的曲面计算机全息图快速生成方法。该方法包括两个步骤:第一步是使用双步菲涅耳衍射生成平面计算机全息图, 第二步是根据光衍射传播定律将平面计算机全息图补偿为曲面计算机全息图。数值模拟结果表明, 与使用点源法直接计算相比, 计算时间明显缩短, 重建图像的质量满足人眼的观看需求。光学实验结果与数值模拟结果吻合。预期该方法可以在未来的实时曲面全息显示中得到广泛应用。

分布式全息孔径数字成像技术是利用数字全息技术记录子孔径的复振幅信息, 再通过孔径间复振幅拼接实现综合成像的一种主动成像技术。在工程应用中, 成像系统的装配误差会使子孔径复振幅间产生形位误差, 进而使孔径综合后的图像变模糊。在已有的方法中, 大多是以相似变换模型校正形位误差, 但是复振幅与理想复振幅间是复杂的投影变换关系, 所以基于相似变换模型的方法不再适用。首先提出一种在像面校正复振幅间形位误差的方法, 该方法先通过像面图像配准对像面复振幅进行投影变换校正, 再对校正后的像面复振幅进行逆菲涅尔衍射, 得到形位误差校正后的瞳面复振幅。进而搭建了分布式全息孔径成像系统, 并采用在像面校正复振幅间形位误差的方法有效地校正了形位误差。

为了提高光学图像加密系统中双随机相位编码加密技术的安全性, 提出了一种基于DNA编码与菲涅尔域DRPE的双重光学加密技术。对光学图像进行DNA编码, 通过DNA编码的加法运算与交叉操作对光学图像进行初步的置乱处理; 在菲涅尔域对像素进行双随机相位编码加密处理, 在加密过程中使用一个副图像生成两个混合相位模板; 将双随机相位编码加密的图像与两个随机矩阵的克罗内克乘积相乘, 获得最终的加密结果。仿真实验结果表明, 所提加密方案在加密过程中增加了密钥数量, 通过双重置乱处理增强了加密系统的抗攻击能力。

针对单次傅里叶变换算法(S-FFT算法)受到采样定理的约束，衍射面画幅尺寸和有效内容像素数无法灵活控制，很容易出现衍射面画幅尺寸大小与衍射距离不匹配的情况，本文提出了一种分段衍射算法。首先，在采样数、光的波长、初始衍射面大小确定的情况下，利用拆分的衍射距离比控制最终衍射面画幅尺寸。然后，对单次衍射计算结果与分段衍射计算结果进行了图像相似度对比。实验表明，分段衍射算法可在画面强度分布不变的情况下，提高有效像素数目，数据量增加了2~3个数量级。此外，文章分析了造成误差的一个主要原因来自有效数据分辨率提高后，细节分布与低分辨率像素值之间的差别。在图像细节较丰富时，其差别较大。因此这种差别应视为优于直接计算的一种结果。本算法能够获得更加清晰的图像细节，灵活调整衍射面画幅尺寸，使得S-FFT算法在大衍射距离问题计算中能发挥其算法优势。

为满足空间成像领域对大口径、轻量化、高衍射效率光学衍射元件的需求, 研究了薄膜衍射元件微结构设计及制作工艺。应用Zemax光学软件设计了320 mm口径, F/#100的四台阶薄膜菲涅尔衍射元件, 并利用Matlab软件将连续位相结构转化为离散化台阶分布。研究了薄膜菲涅尔衍射元件的制作技术, 选用透明聚酰亚胺薄膜作为基底材料, 以石英玻璃作为复制模板, 通过多次旋涂的方式实现了厚度为20 μm的衍射薄膜制作。应用Solidworks软件设计并加工薄膜支撑装置。测量复制基板及薄膜对应区域的微结构, 实验结果表明条纹线宽转移偏差小于1.3%, 台阶深度偏差小于8.6%。搭建光路测试在波长632.8 nm处衍射效率平均值为71.5%, 达到了理论值的88%。实验结果表明, 制作的薄膜重量轻, 复制精度高, 并且具有高衍射效率, 满足空间望远镜的应用要求。

重建像质量的优劣是衡量数字全息成像最主要的标准。针对影响重建像质量的三个主要因素：参物角、CCD像素间距和再现距离,采用离轴全息记录与菲涅尔衍射近似重建算法对数字全息记录与再现过程进行了模型仿真,系统地探讨了各个因素对重建像质量的影响。通过仿真和分析获得了CCD像素间距和再现距离的参数范围以及参物角最大允许值,为具体实验验证提供了理论依据和操作指导。仿真实验结果表明,只有当参物角在最大允许值以内,选取合适的CCD像素间距和再现距离参数才能再现出清晰的重建物像。

研究了纯相位菲涅尔计算全息图的制作方法，给出了一种生成纯相位菲涅尔计算全息图的算法.首先研究了菲涅尔衍射的数值模拟算法，分析了两种数值模拟算法的计算速度.将计算速度较快的菲涅尔衍射数值模拟算法和迭代算法相结合，并引入比例反馈，得到纯相位菲涅尔计算全息图的反馈迭代算法.其次，对比例反馈系数的选取进行了实验研究，得到其最优经验值范围，然后进行了仿真实验.仿真结果表明，该算法降低了重构误差，提高了全息图重构质量.最后基于新型空间光调制器反射型硅基液晶，建立了全息显示光电实验系统，对该算法进行了验证.

利用惠更斯-菲涅耳衍射积分公式，推导了高斯-谢尔模型光束经非线性克尔介质的表面缺陷调制后的交叉谱密度公式，研究了受调制高斯-谢尔光束的光强演化特性。数值模拟表明: 缺陷也可导致部分相干光束在介质后表面产生一个极强点，缺陷越大，极强点越远离介质。非线性折射率为正值或负值的介质也分别使部分相干光束发生会聚或发散现象。空间相干长度越长以及附加相移和缺陷尺寸越大，光场受调制越厉害。

利用菲涅尔衍射理论推导出高斯型激光脉冲的回波计算方法,建立了斜坡、阶梯和植被三种标准漫反射地物的回波模型,以GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)系统为例,通过数值计算得到了标准漫反射地物的回波信号波形,分析了回波波形与三种地物模型参数、光束扫描角之间的关系.仿真计算结果表明:斜坡回波信号波形近似为单个高斯波形,其峰值和脉宽与斜坡倾角、光束扫描角有关;阶梯回波信号波形近似为多个高斯波形,其峰值与光斑内阶梯分布有关;波形的中心位置差与阶梯高度和光束扫描角有关;植被回波信号波形呈现出多个类高斯型,其峰值不仅与植被的位置有关,还与植被的面积有关.这些结论为地形地貌的反演及地表资源分布的分析提供了理论基础.

相衬成像方法利用硬X射线对低密度弱吸收物质成像,可获得高衬度图像.用菲涅尔衍射理论分析了X射线图像的形成机理.在频域中根据光学传递函数,对物像距离、样品空间频率等对图像相位衬度的影响进行了分析.分辨率和衬度是决定图像可见度的两个依据,分辨率主要依赖于光源的空间相干性,空间相干性又决定于源点尺寸,而时间相干性(单色性)是一个不重要的影响因子.利用多色微焦点源实现了X射线相衬成像技术,获得了有价值的相衬图像,如低原子序数低密度泡沫材料的硬X射线相衬图像,与吸收衬度成像相比,其图像质量得到了很大提高,能观察到泡沫材料的细微结构,分辨率可达μm量级.