增强现实近眼显示器是信息显示技术领域的研究热点之一。针对传统近眼显示系统结构存在的视场与体积不能兼顾的瓶颈技术问题，超表面光学元件凭借其光场多维物理量的调控能力和平面集成化优势，为开发大视场轻薄紧凑化的近眼显示器提供了新思路。首先介绍了超表面光场调控原理，重点分析了基于超表面的多种增强现实近眼显示光学系统设计方案，主要包括基于超表面和自由曲面的光学系统设计方案、基于超表面的视网膜投影显示设计方案、基于超表面的光波导设计方案及全息显示设计方案等，讨论了超表面在增强现实近眼显示领域面临的挑战，并对其未来的前景进行了展望。

空中目标具有高速机动、战略突防和远程精确打击等特点, 针对这类目标构建广域、高效、精准探测、连续监视技术已成为空中目标探测体系面临的新挑战。基于空中目标的天基光学探测需求, 建立了复杂环境要素综合作用飞机尾焰的光学辐射特征模型, 形成飞机尾焰-海面/云层背景-环境大气-光学系统-成像探测器等要素耦合的全数字化链路光谱辐射成像特征精确预测模型。基于实测数据推演了飞机尾焰红外多光谱本征辐射。同时, 利用FY-2G遥感数据, 反演了中国南海某海域海面温度及云顶温度分布, 建立了海云背景光谱辐射模型。在此基础上综合考虑了背景辐射、大气路径辐射和大气衰减对飞机尾焰光谱辐射的影响, 建立了在光学系统入瞳前目标上行光谱辐射特性模型, 结合光学成像系统的衍射效应, 探讨了不同谱段、云类型下地球同步轨道红外成像系统对目标的可探测性。研究表明: 大气屏蔽波段对目标的探测效能优于宽波段; 针对不同的背景选择合理的探测波段有利于目标的高效探测。

同心多尺度成像技术为突破传统光学成像中分辨率与视场之间的矛盾提供了一条有效的途径。将同心多尺度成像模式应用于机载光电探测系统,实现机载广域宽视场高分辨目标探测。综合分析了目标辐射空间分布、目标辐射传输和光学系统成像等特性,建立了表征同心多尺度成像系统的探测能力理论模型,得到了系统探测能力与组成单元透镜的口径、焦距、间距等参数之间的变化关系。并用光学设计软件Zemax设计了实际光学系统,数值模拟了空中来袭运动目标的光谱信号信噪比(SNR)响应特征。结果表明合理增加同心多尺度成像系统中的物镜焦距、减小目镜焦距、增大系统口径和降低探测信噪比阈值等能够有效提高成像系统的探测能力。

多孔径成像是一种融合了仿生复眼视觉的新型成像方法, 具有小型化、大视场、高分辨率等多种优势, 但由于每个子孔径对应的单元图像分辨率过低, 导致其成像质量和视场角的提升十分有限。为了进一步提高成像分辨率和探测视场, 基于压缩感知理论设计随机编码模板, 并紧贴子孔径放置对入射光场进行调制, 通过单次曝光记录编码后的低分辨率单元图像阵列, 利用稀疏优化算法, 重构所有低分辨率单元图像获得超分辨率大视场图像。理论分析和仿真实验证明了该方法的有效性。该方法不仅能兼顾大视场高分辨率成像, 而且大大缩小系统等效焦距, 具有薄层结构, 体积小而重量轻, 可为微光机电一体化系统的研制设计提供借鉴。

以同心多尺度成像模式为基础, 结合人眼视网膜凹成像思想, 提出了一种宽视场与双分辨率成像组合的新型同心多尺度成像系统, 在广域视场范围内实现了对关注的感兴趣目标区域的高分辨动态注视。介绍了同心多尺度双分辨率成像系统的工作方式; 使用一个单透镜和一个双胶合透镜为初始结构, 结合二轴微机电系统(MEMS)扫描微镜组合形成光路; 利用ZEMAX光学设计软件, 优化设计了成像波段为0.486~0.656 μm, 在单个分通道视场内(30°)可对关注的小视场区域(6°)高分辨注视跟踪的子成像系统。 对成像系统的像质以及点列图、调制传递函数(MTF)曲线、场曲、畸变曲线进行了评价。结果表明设计的子成像系统在全视场内成像均匀, 接近衍射极限, 场曲和畸变较小, 最大场曲不超过06 mm, 最大畸变小于15%, 能够满足同心多尺度双分辨率成像系统对子成像系统性能的要求。