光学自由曲面具备较高的设计自由度与像差校正能力；全息光学元件具备特有的波前调控特性、选择性、复用性、轻薄性与易加工性。在成像与显示光学系统设计中，将自由曲面与全息光学元件相融合，可以获得较为优秀的系统指标和系统性能，使系统形态更加紧凑、轻便，且得到离轴非对称的新型系统结构。简要介绍了自由曲面光学与全息光学元件的基本原理、光线追迹特性、应用领域等，阐述了自由曲面光学与全息光学元件的融合设计方法，基于对全息光学元件的分类，总结了融合自由曲面光学与全息光学元件的成像与显示光学系统的设计与应用，讨论了两类元件融合设计的限制因素并对未来的发展趋势进行了展望。

利用计算全息图（CGH）能够实现对非球面面形的高精度检测。为了提高CGH的编码效率，提出一种以圆弧为基元对刻线条纹进行分段描述的编码方法，该方法将编码过程分为二值化编码和曲线描述两个步骤。二值化编码采用牛顿迭代法将相位等高分界线离散化；曲线描述结合二分法及残余误差均方根最小准则，利用圆弧对条纹离散点进行编码计算，从而得到刻线条纹。针对一离轴非球面，进行了CGH的设计、编码与制作，在编码精度优于λ/1000的前提下，运算时间仅需3 h，编码文件仅为39 MB，刻蚀时长仅需40 min，证明所提方法相对于传统编码方法能够大幅度提高编码效率，且误差分析表明CGH的波前root-sum square（RSS）误差仅为0.00255λ，证明所提编码方法高效可行。

以双向误差扩散算法为基础，通过分析图像振幅分布与生成全息图的关系，建立了全息图误差补偿模型，提出了一种新的纯相位全息图生成方法。首先通过误差扩散模型，计算出复振幅全息图与振幅置1的纯相位全息图的误差，通过对该误差进行误差扩散生成新的纯相位全息图。利用新的纯相位全息图与复振幅全息图计算新的误差，进行第二次的误差扩散，得到最终的纯相位全息图。采用定性和定量的指标来评价仿真成像质量，仿真及光学实验结果表明，改进后的方法能够有效提升再现像的质量，为纯相位全息图制作提供一种新的方法。

冰晶是云滴谱的重要组成部分，其对全球辐射收支平衡、全球气候变化、水文循环、人工影响天气作业等具有重要的影响。目前2~100 μm的冰晶与液滴混合相态难以区分，且存在难以提供冰晶微物理参数的瓶颈问题。针对这两个问题，本文基于数字全息理论，利用全域数字图像融合方法、局部亮度梯度方差法和旋转卡壳法，结合固液相粒子圆度概念，实现了云中液滴和冰晶的混合相态识别，在特定圆度阈值下，液滴和冰晶的识别率大于93%；再结合光学图像识别技术，获得冰晶粒子的面积、周长、凸包和最小外接矩形数据；最终利用上述数据获得了冰晶微物理参数。通过在低温云室中的观测实验，获取了板状、枝状和六角冰晶的微物理参数，该方法解决了冰晶观测中的瓶颈问题。此外，通过冰晶采样间隔时间和不同时刻的质心三维坐标和等效直径，还可获得冰晶粒子的三维运动速度与轨迹。该方法对提升数值天气预报精确度，以及人工影响天气作业具有重大意义。

针对较大尺寸物体彩色全息图重建操作复杂、色彩融合不准确、重建时受零级影响等问题，提出一种基于深度学习的彩色全息图重建方法。采用改进的U-Net模型作为网络结构，使用混合实际拍摄和模拟生成的彩色离轴菲涅耳全息图频谱作为训练样本，实现对彩色全息图的准确重建。对模拟全息图和实际拍摄的数字全息图进行重建实验，结果表明，所提方法相较于传统方法，能够在保持重建图像高分辨率和颜色准确性的同时，具有更好的重建效果。研究结果可应用于大尺寸检测场彩色全息图的重建，为彩色全息检测及深度学习在光学成像领域中的应用提供有益的参考。

针对离轴光学系统装调过程中自由度高且互相耦合的问题，提出一种新的离轴自由曲面反射式光学系统装调方法，采用计算全息图（CGH）实现多镜共基准定姿定态，解耦合系统各镜片的装调自由度，显著降低系统装调复杂度；分析CGH用于定姿定态时的定位精度，提高系统装调精度和效率，适应不同构型的离轴光学系统。利用上述方法，完成口径为210mm、视场为2°×2°的近红外长波红外双波段离轴反射式光学系统装调，全视场波像差RMS小于0.126λ（λ=632.8nm），达到设计预期，装配周期短，成像质量优良。

水下邻域声场的高精度重建对研究分析邻域声场结构特点和提升水声传感性能有重要意义。在激光束宽度远小于声波波长的条件下，激光束穿过声场的偏转效应既携带了声场声压信息，也携带了梯度信息，这为直接引入Kirchhoff积分定理进行声场重建计算提供了数据传感基础。在此基础上，利用激光传感声场的稠密性，引入虚拟扩展声场孔径的计算方法，进一步接近了Kirchhoff积分定理对无穷大积分区间的理论要求。在水下邻域空间，对提出的声场重建思路和方法进行了验证。实验结果表明，与直接进行声全息的方法相比，所提声场重建方法的峰值信噪比提高了约5.5 dB，为高精度邻域声场传感器的开发提供了可行新思路。

非球面反射镜通常使用零位补偿器配合干涉仪进行面形检测，因此零位补偿器的加工和装配精度直接决定了检测结果的可靠性。提出一种具备良好通用性的基于计算全息片（CGH）的补偿器误差标定方法。以一块Φ856 mm、f/1.54的双曲面反射镜作为待测非球面镜，首先设计反射式CGH，运用光线追迹法得到CGH的相位函数，使其引入的球差与待测非球面主镜的法线像差相同，再由ZEMAX仿真计算验证该设计的正确性，并根据相位函数加工出主全息。在同一块玻璃基片上设计和加工对准全息带用于标定光路的调整。实验结果表明，所制作的CGH标定零位补偿器的精度达到λ/80。可见对于大口径、快焦比的凹非球面反射镜，所提方法仍然适用，因此可用于指导多数正轴非球面镜的零位补偿器标定。

深度分割复用（DDM）是一种常用的生成彩色纯相位全息图的方法，在重建单个彩色图像时能够取得良好的效果，但是在重建多平面彩色图像时，会不可避免地出现再现质量差和串扰的现象。提出一种基于时分复用生成多平面彩色纯相位全息图的迭代方法，该方法基于Gerchberg-Saxton（GS）算法，在记录全息图时，对每个通道平面施加幅度约束，重复此过程，彩色图像的红（R）、绿（G）和蓝色（B）通道信息被分别记录在三个纯相位全息图中。在再现时，RGB三色通道在相同的距离处重合，重建出目标彩色图像。展示了1幅、3幅和5幅彩色图像的重建结果，与DDM方法相比，所提方法明显提高了重建彩色图像的质量水平，有效避免了不同通道平面之间的串扰。数值模拟和光电再现均证明了所提方法的有效性。