衍射光学设计已经成为人工晶状体设计领域的新兴技术。本文首先分析了衍射多焦点人工晶状体的具体设计流程，提出了联合非球面衍射基底矫正像质的衍射多焦点人工晶状体设计；其次针对多焦点衍射光学元件相位结构提出并分析了基底参数对衍射效率的影响的数学模型；最后通过实例对人工晶状体设计中非球面衍射基底的影响作出了优化。结果表明，设计流程可用于设计高成像质量多焦点人工晶状体，基底影响模型可用于分析并优化衍射基底参数对衍射效率的影响。

多级衍射元件在衍射望远系统消色差领域的应用逐渐成为热点。基于赛德尔三级像差理论，对由多级衍射光学元件、折射光学元件和菲涅耳衍射元件三元件组合的光学系统展开分析。在400~700 nm工作波段，通过数学推导校正表面系统的球差，同时实现消色差及复消色差。对系统在平面、球面和非球面不同面型下的成像质量进行比对。当系统为非球面设计时，调制传递函数在截止频率50 lp/mm处高于0.6683，优于平面和球面设计，衍射圈入能量更高，成像质量更好。该研究为将多级衍射元件组合系统运用到消色差领域提供了参考。

为了减小玻璃模压工艺中硫系玻璃衍射光学元件的面形误差，对衍射结构的填充效果和衍射光学元件的应力进行研究。建立了局部衍射结构有限元仿真分析模型，分析了模压温度、模压速度、摩擦系数等因素对衍射结构填充效果和应力的影响，并在仿真结果的指导下进行实验研究，实验结果表明衍射结构的填充效果和应力对面形均有影响，衍射结构填充得越充分、应力越小，成型透镜的面形精度越高，最终得到的成型透镜面形误差为0.3053 μm，表面粗糙度R_a为2.95 nm。

增强现实型抬头显示器拥有比传统抬头显示器更加丰富的显示内容。理想的增强现实型抬头显示器需要显示多个不同深度的虚像来呈现基础与交互信息，但传统的解决方案多为通过高速旋转反射镜或光学变焦系统来显示两种深度的内容，可靠性较低，存在驾驶安全隐患。提出了一种采用两块图像生成单元和单块自由曲面镜实现双焦面显示的离轴反射式光学结构，通过添加一块平面反射镜增加远场光路物距，从而实现双焦面的显示，最终得到一个视野盒大小为130 mm×50 mm、视场角分别为5°×1°和10°×5°、虚像距离分别为2.5 m和7.5 m的双焦面抬头显示器系统。该研究结果不仅满足了近场基础信息与远场交互信息同时显示的需求，景深的显示效果也同样得到了改善。

衍射光学元件（DOE）在红外双波段甚至多波段的应用逐渐成为热点。基于双层DOE的多色光积分衍射效率（PIDE）最大化的设计思想，在工作波段范围内设计最佳工作波长，从而计算双层DOE的最佳微结构高度，并给出了适用于多波段光学系统的PIDE权重分配的数学分析模型。基于此双层DOE，设计了F数为1.1、焦距为75 mm的双波段（3.7~4.8 μm和8.0~12.0 μm）红外光学系统。在29.4 lp/mm空间频率处，系统中、长波红外所有视场调制传递函数（MTF）分别高于0.60和0.45，在-40~60 ℃范围内实现了无热化设计。该系统在改善成像质量、小型化、轻量化，以及红外双波段消热差等方面表现出了巨大的优势。

在头戴显示器中体全息光栅常被用作输入/输出耦合器，其衍射效率的高低将极大影响系统的成像质量。为提高体全息光栅的衍射效率，提出了一种新型耦合光栅结构，该结构由优化后的体全息光栅和闪耀光栅组成。利用严格耦合波分析，对新型耦合光栅结构进行仿真。仿真结果表明，与体全息光栅相比，新型耦合光栅使横电模式光的衍射效率提高了1.5%，横磁模式光的衍射效率提高了9.4%，非偏振光的衍射效率提高了5.3%。此外，相较体全息光栅，新型耦合光栅在不同偏振态（横电模式光、横磁模式光）下，入射角半峰全宽增加了0.2°与0.5°，表明该结构具有更大的视场角。

为减小模芯的制造误差对模压成型的衍射光学元件（DOEs）光学性能的影响，对具有曲面基底衍射微结构表面的微晶铝合金模芯开展了单点金刚石车削（SPDT）工艺研究。基于遮挡效应和散射效应分析模芯制造误差对DOEs衍射效率的影响，建立刀具半径和刀具偏转角与衍射效率之间的数学关系模型，提出提高加工精度的优化方法。在该方法的指导下进行了衍射光学模芯车削实验，并对比预期衍射效率与实验结果。结果表明：采用该优化方法选择工艺参数能够减小模芯制造误差对衍射效率的影响，提高DOEs的光学性能，为SPDT衍射光学模芯制作提供参考。