为克服现有离轴头戴显示光学系统设计方法不能直接设计全视场全孔径自由曲面反射镜的问题，提出了基于马吕斯定律的自由曲面三维直接设计方法。首先根据马吕斯定律求解自由曲面在全视场和全孔径范围内的所有特征数据点，然后将特征数据点拟合成用多项式表征的自由曲面，直接获得成像质量良好的自由曲面离轴系统初始结构，最后利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化，确定最佳拟合系数，生成所需的自由曲面反射镜，得到离轴头戴显示光学系统最终结构。该方法简化了设计流程，计算效率高。基于提出的方法分别设计了单反射面和双反射面的头戴显示光学系统，单反射面系统的出瞳直径为3 mm，视场角19.12°×14.4°；双反射面系统的出瞳直径为8 mm，视场角23°×16°。设计结果表明，用该方法设计的单/双反射面头戴显示系统，其成像质量良好，系统结构紧凑。公差分析表明，引入公差后单/双反射面头戴显示系统最终可实现全视场调制传递函数(MTF)大于0.3 lp/mm和0.35 lp/mm。

超构表面是一种具有亚波长特征尺寸的人工平面结构材料，可以在亚波长尺度上对入射电磁波的振幅、相位、偏振、频率、光谱等参量进行精密且灵活的调控，近年来备受关注。振幅是光波的基本参量之一，本文将从振幅调控的角度出发，对基于超构表面材料的振幅调控机理进行分析，主要包括通过改变纳米结构的尺寸和方向角对振幅进行调控，同时对基于振幅调控超构表面的功能器件的研究现状及其应用场景进行总结和讨论。研究表明，振幅调控超构表面具有设计灵活、加工简单、功能强大、可与其他参量调控相融合等特点，其在高分辨率图像显示、高密度信息存储、信息加密、信息复用、光束整形、光信息处理和安全防伪等诸多领域具有重要的研究价值和广阔的应用前景。