为了实现增强现实头戴显示系统全色显示功能，建立了多层全息平板波导显示系统，并对该系统所采用的衍射原理、光栅常数及对应衍射波长等技术参数进行了研究。首先，根据光栅方程及全反射理论，介绍了全息平板波导入耦合光栅常数与传输光波长之间的限制关系。其次，为了实现光瞳扩展，介绍了转折光栅、出耦合光栅与入耦合光栅之间的限制关系。在此基础上，以550 nm绿光为例仿真设计了单层全息平板波导显示结构。然后，以单层全息平板波导为基础，建立了以685 nm、550 nm和437 nm作为三基色的三层全息平板波导显示系统。最后，使用digital light processing投影系统为光源检验了三层全息平板波导加工样品的出光效果。实验结果表明，三层全息平板波导可以实现光瞳扩展和全色显示。多层全息平板波导能够实现增强现实头戴显示系统全色显示。

为了适应单兵平台的作战需求，针对目前透射式狙击步枪瞄准镜存在成像质量较差和出瞳距离过短等问题，设计一款高精度成像的狙击步枪瞄准镜。根据系统的设计指标对物镜组和目镜组进行指标分解以及光焦度计算，使用ZEMAX软件设计具有高精度成像质量和长出瞳距离的瞄准镜光路。瞄准镜的物镜组和目镜组均采用远心光路，系统的放大倍率为10^×，入瞳直径为50 mm，出瞳直径为5 mm，视场角为2.2°，出瞳距离为87.89 mm，机械筒长为403.76 mm。设计结果表明，物镜组和目镜组的成像质量均达到优良，对接后的整体光路在奈奎斯特频率为16.67 lp/mm处的调制传递函数值大于0.85，满足军用狙击步枪瞄准镜的使用要求。

从杂散光抑制与体积压缩的需求出发, 设计出具备二次成像、实出瞳的紧凑型离轴三反光学系统。给出了一种二次成像离轴三反光学系统的初始结构搭建思路, 并运用自由曲面优化系统, 依据该方法设计出了焦距130 mm、F数1.3、线视场5°×0.1°的离轴三反光学系统。系统成像质量接近衍射极限, 具有二次成像和实出瞳的杂光抑制特性, 理论上可以实现100%冷光阑效率, 具有超小F数1.3的紧凑型特点, 可用于航空航天探测等对杂光抑制要求较高的**领域。

传统离轴反射光学天线的出瞳距较短,需要中继光学系统将出瞳成像于快反镜附近,这会增加后续光路和结构的复杂度,且中继光学系统的后向散射光会对激光通信终端产生严重的影响。针对上述缺陷,设计了长出瞳距离轴四反光学天线,该光学天线的出瞳被直接设计在快反镜上,省去了中继光学系统。首先,从同轴三反像差理论出发,推导了像差表达式和初始结构方程。然后,基于像差理论和出瞳位置要求,计算了离轴四反光学天线的初始结构参数,并采用Zemax软件对初始结构进行光线追迹和性能优化。最后采用Zemax对离轴四反光学天线进行了公差分析。结果表明:所提系统性能优异,结构紧凑,加工和装调公差合理,满足激光通信终端性能要求。

针对工作在一定入射角度范围内的衍射光学元件, 提出了复合带宽积分平均衍射效率的计算公式。为了满足军用仪器上瞄准镜的光学性能需求, 设计了两个结构参数相同的 50 mm长出瞳距的目镜。目镜系统的焦距为 25 mm, 视场角为 30°, 出瞳直径为 8 mm。基于 Erfle目镜结构形式, 首先设计了一个传统折射式长出瞳距目镜。在此基础上, 引入单层衍射光学元件, 设计了一个折衍射混合式长出瞳距目镜。该混合目镜的畸变小于 7.77%, 在 40 lp/mm处, 中心视场的 MTF(调制传递函数)高于0.85, 最大视场的 MTF高于 0.2。系统中采用的单层衍射光学元件衍射面上的入射角度为 0°～30°, 对应的复合带宽积分平均衍射效率为 95.23%。对比折射式目镜, 折衍射混合目镜不仅成像质量得到改善, 而且总长减小了 22.87%, 重量减轻了 38.79%, 具有结构紧凑、重量轻等特点。

头戴显示系统在现代教育、医疗和娱乐等领域具有广泛的应用,离轴反射式头戴显示光学系统是头戴显示系统的一种设计形式,既能满足小型化和结构紧凑的需求,又能实现宽光谱成像,无需校正色差;然而,现有离轴反射式头戴显示光学系统的设计难以满足大出瞳直径和小F数相兼容的要求。针对该问题,提出基于光学自由曲面的离轴两反头戴显示光学系统,实现了大出瞳直径和小F数。该自由曲面头戴显示光学系统分别采用双曲率基面自由曲面和XY多项式自由曲面,出瞳直径为10 mm,F数为3.0,视场角为28°,出瞳距大于15 mm。该系统的成像性能满足要求且优于现有设计结果。

为了克服单一光学通道长焦距与大视场之间的矛盾, 设计了一款分孔径大变倍比三视场中波红外光学系统。该光学系统采用分孔径技术, 包括小视场光学通道和中视场/大视场光学通道, 两个通道之间的转换通过切出切入45°放置的反射镜完成, 小视场光学通道采用二次成像, 仅采用6片透镜, 透过率高; 中视场/大视场光学通道采用三次成像; 小视场光学通道与中视场/大视场光学通道共用一片反射镜和中继组, 实现了共出瞳分入瞳——分孔径; 小视场长焦距为1 120 mm, 大视场短焦距为22.58 mm, 变倍比达到53×; 对小视场光学通道进行了三次立体折叠, 对中/大视场光学通道进行了一次折叠, 有效地对横向和纵向尺寸进行了控制, 外形包络在270 mm×217 mm×258 mm范围内, 系统紧凑, 实现了兼具长焦距和大视场的三视场中波红外光学系统。设计及实验结果表明该光学系统像质良好, 满足热像仪使用要求。

为了满足军用瞄准镜使用中需要配备护眼罩和防毒面具等的要求，需要目镜光学系统的出瞳距离较长。分析了长出瞳距目镜的光学特性与像差特点，提出了正、正、负三镜组的结构型式。根据像差理论，采用解析法推导了光焦度分配公式。利用光学设计软件ZEMAX 设计了长出瞳距目镜，系统焦距为20 mm，出瞳直径为5 mm，视场角为40°，出瞳距离为40 mm，相对镜目距为2。设计结果表明，采用该方法设计的目镜在40 lp/mm 处各个视场的传递函数均在0.2 以上，满足目视光学仪器的使用要求。