紧凑型纯相位全息近眼三维显示

提出了一种紧凑型纯相位全息近眼显示方法，避免了4f系统的使用且通过滤波可消除零级光和高级衍射光的干扰，能够实现近眼虚拟现实（VR）和增强现实（AR）三维显示。在进行全息图计算时，三维物体被分割成多层图像，利用每一层图像相对于投影透镜焦平面的距离和投影透镜的焦距获得该深度对应的补偿相位因子，采用迭代优化算法获得三维物体的纯相位全息图并在所提系统中进行显示。通过数值模拟和光学实验，证明了所提方法的有效性。     

颜色显著性检测平台的设计与分析

目前各种显著性区域检测算法使用的训练数据大多源于一般性视觉注意过程,主要反映的是对图片中明暗变化信息的注意,没有专门针对图片的颜色信息获取训练数据,因此训练出的算法主要反映明暗信息变化以及形状等方面的显著性。然而,颜色为视觉提供了更多有用的信息,图片显著性检测算法应该也必须考虑颜色因素。针对此问题,设计颜色注意实验,通过实验获取训练数据,用于对PiCANet、PoolNet、U2-Net以及BASNet显著性检测深度学习模型进行训练与分析。结果显示,颜色信息的加入能够使算法获得更好的效果。对比不同算法,BASNet能够较好地检测图像颜色显著性区域。     

基于多尺度镶嵌的Mask R-CNN台风中心定位

准确自动检测台风风眼位置可为台风预报与监测研究提供先验信息，以减少灾害损失。由于台风形态结构的多变性，其中心自动定位仍存在一定的困难。本研究利用台风卫星云图，提出一种基于多尺度镶嵌的R-CNN台风风眼检测方法。收集日本气象厅发布的1981—2017年5000多张台风卫星云图，利用图像数据中风眼眼壁轮廓曲线及内外明暗差别清晰明显的特点对图中风眼进行分割标注。通过台风风眼半径多尺度估算算法，将原始图像划分为多尺度台风云图，整合训练集和测试集。借助多尺度图像镶嵌、超参数选择和多条件测试分析，构建利用多尺度Mask R-CNN模型检测分割台风风眼的总体算法框架，开展多尺度对比实验。在自建标定数据集中，台风风眼的识别准确率最高达到92.63%、最低为88.36%，平均每张图片的检测时间最少为0.043 s，均方误差最小达到2154，平均交并比最大为0.9454。实验结果表明，所提多尺度镶嵌数据增强方法在大中规模尺度融合时效果最好、中小尺度较差，与现有主要数据增强方法相比，能更有效地提升神经网络准确率。整体检测模型在台风中心定位中的综合效率优于其他深度学习定位方法。     

眼屈光度与生物参数测量的一体化设计与实现

近视是一种常见眼病，已成为中国青少年视力下降的主要原因。近视防控是一个关系国家和民族未来的大问题，已经上升为国家战略。当前近视防控的有效手段之一就是建立屈光发育档案，并根据数据给出眼屈光度的预测。然而，目前市面上并没有一款专用于屈光发育档案数据采集的设备。笔者基于前期研究，结合干涉、波像差和图像分析等技术建立了眼屈光度与生物参数一体化测量系统，主要测量眼轴长度、角膜曲率、前房深度和屈光度等参数。使用组内标准差、测试重复性、变异系数和组内相关系数评估了实验样机测量的可重复性。通过比较实验样机和IOL Master 500的测量结果，验证了实验样机测量结果的准确性和一致性。从组内标准差和测试重复性的数值可以看出：眼生物参数和屈光度测量都有很高的重复性；眼生物参数的变异系数均低于3%，眼轴长度和角膜曲率的变异更小（≤0.256%）；组内相关系数均高于0.6。说明测量结果具有较高的一致性。实验样机与IOL Master500测得的眼轴长度、角膜曲率、前房深度数值无显著差异（P>0.05），说明实验样机测量结果的准确性很高。这些结果表明这样的一体化设计能完成基本的眼屈光度和生物参数测量。随...     

超短焦偏振折反射虚拟现实镜头设计方法

超短焦偏振折反射虚拟现实（VR）镜头是新兴的近眼显示光学解决方案，能满足用户对大视场、大出瞳和高清晰度的需求。本文详述了超短焦偏振折反射VR镜头的光路原理，说明了偏振折反射VR光学方案相较于传统VR光学方案的优势，并研究了低应力镜片的设计方法。为增加设计自由度，提出将非球面转化为环形拼接非球面，并介绍了拼接非球面的数学描述与优化策略。针对不同视场的像质差异问题，引入了像质自动平衡优化算法。采用上述方法先后设计了47°视场角和96°视场角的两款超短焦偏振折反射VR镜头，在像质平衡优化后，全视场调制传递函数值较采用普通非球面的系统提升了0.35以上。研究结果证明了环形拼接非球面在VR镜头设计中的可行性与高自由度优势，并体现了像质平衡优化算法的实用性。介绍了超短焦偏振折反射VR镜头的研发流程，原理样机的测试结果验证了该光学系统的良好显示性能。本文提出的设计方法对VR近眼显示设备的高清化与轻量化发展具有指导意义。     

增强现实近眼显示中辐辏调节冲突研究进展

近眼显示光学系统是增强现实（AR）技术的核心基础，是接收虚拟画面信息和融合现实环境进行显示的直接载体。辐辏调节是人眼生理机能的辐辏距离和晶状体聚焦调节距离相匹配的基本生理反应。当前AR近眼显示方案仅提供具有左、右眼视差片源形成的3D显示效果，相对于正常环境的目视观察有极大差距，造成人眼辐辏调节冲突（VAC）。缓解或消除VAC是AR近眼显示系统发展和普及的必由之路，其主要解决方案包括：部分深度信息的光学显示系统，如两焦面或多焦面近眼显示光学方案；完整深度信息的光学方案，如集成成像光场显示技术和计算全息波前重建的近眼显示方案；无深度信息的光学显示方案，如基于Maxwellian显示技术的近眼显示光学系统。本文综述了当前技术发展过程中缓解或消除VAC的近眼显示光学方案，分析了各技术的特点、实现方式，以及优缺点，最后总结了当前AR近眼显示中解决VAC问题面临的挑战，并对未来技术和显示方案的发展前景进行了展望。     

基于光波导的扩展眼盒全息近眼显示系统

全息近眼显示系统受到空间光调制器（SLM）空间带宽积的限制，光学扩展量一般较小，在保持适当视场（FOV）时容易出现眼盒较小的情况，使得用户观察到的图像容易出现缺失。基于二维表面浮雕光栅（SRG）和光波导的扩瞳作用，在适当FOV下，实现了眼盒的二维连续扩展。基于随机梯度下降算法，利用计算全息显示系统生成目标图像，利用目镜将之准直，再利用耦入光栅将其耦合进光波导内。利用光线在光波导内传播时遇到耦出光栅后部分光会被耦合出射、部分光继续传播的特性，系统在两个维度上对光束宽度进行了拓展，实现了扩展的眼盒。该系统与RGB彩色激光照明和SLM时分复用结合时可以实现彩色显示。实验证实，该方案实现了在38.6°FOV和20 mm的出瞳距下，大小为8 mm×6 mm的扩展眼盒，可有效解决用户观察到的图像易缺失的问题。