本文通过分析目前显示器用的高均匀宽角度灯珠的光学要求，采用新型非朗伯（non-Lambertian）分布封装Micro-LED芯片，实现了宽光束、高均匀性的微型LED芯片光珠。分析了在不同封装倾角、封装高度、封装材料、封装支架材料、蓝宝石厚度和图案化蓝宝石衬底尺寸下，使用由不同封装材料（铜、钛、铝和银）和材料类型（完全反射和完全吸收）组成的支架模拟固定灯珠的光输出效率和出光角度的变化情况。研究发现通过调整材料、芯片和封装参数，可以得到一个、两个或三个光束，具有贴片灯珠的宽角度、高均匀性的远场光分布特性，满足当前LED和LCD的显示要求。

在二维光子晶体中嵌入了线缺陷，利用线性干涉效应和波导耦合，设计了一种基于二维光子晶体的同或门和与非门结构。主要采用平面波展开法对该二维光子晶体的能带结构进行分析，采用时域有限差分法，结合线性干涉效应，在Rsoft平台对所设计的同或门和与非门进行稳定电场图和归一化功率仿真。仿真结果标明：设计的同或门对比度高达29.5 dB，响应时间为0.073 ps，数据传输速率为13.7 Tbit/s；设计的与非门对比度高达24.15 dB，响应时间为0.08 ps，数据传输速率为12.5 Tbit/s。这些结果表明所设计的结构对比度高、响应时间短和数据传输速率快。

理论分析了波长为2 µm的掺铥光纤放大器中受激布里渊散射（SBS）对 输出性能的影响，研究了双包层掺铥光纤在793 nm的泵浦波长和1.9~2.1 µm的 工作波段的光模分布、有效折射率、有效模场面积和归一化频率，数值计算了在1.9~2.1µm的 工作波段双包层掺铥光纤中的布里渊频移和布里渊增益谱等SBS特性。利用增益光纤中的受激布里渊散射理论模型，研究了受激布里渊散射对掺铥光纤放大器 输出性能的影响。在DTDF-10/130双包层掺铥光纤中，使用功率为100 W、波长为793 nm的连续光作为泵浦，可对波长为2 μm、功率为0.01 W的连续信号光进行放大。当泵浦光功率填充因子为0.01、0.02和0.03时，信号光的最大输出功率分别为25.27 W、31.08 W和34.06 W。对应的最佳双包层光纤长度为2.66 m、2.02 m和1.75 m，由受激布里渊散射产生的斯托克斯光功率分别为1.68 W、1.39 W和1.14 W。结果表明，在掺铥光纤放大器中使用泵浦光功率填充因子大的双包层光纤可以降低光纤长度，从而减小受激布里渊散射对信号 输出功率的影响。本文的数值模型可以对光纤放大器的光纤长度进行优化，对提高实验效率、降低实验成本具有重要价值。

本文提出了一种离轴超构透镜的设计方法，并分析了不同数值孔径、离轴角度等参数对于离轴超构透镜的光谱分辨率、聚焦效率以及仿真结果的影响。利用Lumerical软件分别仿真了参数为NA=0.408、 α=13°；NA=0.180、α=13°及NA=0.408 α=20°等多个离轴超构透镜。仿真结果表明：离轴角度与光谱分辨率大小成正相关，离轴角度越大，光谱分辨能力越强，但聚焦效率越低；数值孔径越小，相位分布的覆盖范围越小，会导致仿真聚焦位置与理论值偏差变大。设计者需要根据需求合理平衡数值孔径、离轴角度等参数，最终实现理想效果。本文得出的结论对离轴超构透镜的理论分析和实际应用中的参数设计具有重要参考价值。

本文旨在探索涌泉蜜桔糖度的最优检测位置和最佳预测模型，以便为蜜桔糖度检测分级提供理论依据。本文利用波长为390.2～981.3 nm的高光谱成像系统对涌泉蜜桔糖度最佳检测位置进行研究，将涌泉蜜桔的花萼、果茎、赤道和全局的光谱信息与其对应部位的糖度结合，建立其预测模型。使用标准正态变量变换（SNV）、多元散射校正（MSC）、基线校准（Baseline）和卷积平滑（Savitzkv-Golay，SG）4种预处理方法对不同部位的原始光谱进行预处理，用预处理后的光谱数据建立偏最小二乘回归（PLSR）和最小二乘支持向量机（LSSVM）模型。找出蜜桔不同部位的最佳预处理方式，对经过最佳预处理后的光谱数据采用竞争性自适应重加权算法（CARS）和无信息变量消除法（UVE）进行特征波长筛选。最后，用筛选后的光谱数据建立PLSR和LSSVM模型并进行分析比较。研究结果表明，全局的MSC-CARS-LSSVM模型预测效果最佳，其预测集相关系数Rp=0.955，均方根误差RMSEP=0.395，其次是蜜桔赤道部位的SNV-PLSR模型，其预测集相关系数Rp=0.936，均方根误差RMSEP=0.37。两者预测集相关系数相近，因此可将赤道位置作为蜜桔糖度的最优检测位置。本研究表明根据蜜桔不同部位建立的糖度预测模型的预测效果有所差异，研究最优检测位置和最佳预测模型可以为蜜桔进行糖度检测分级提供理论依据。

剪切散斑干涉是一种非接触式、全场高精度光学变形测量技术，由于环境等因素导致采集的散斑条纹图像存在大量随机噪声,进而影响测量精度。传统去噪方法在滤除噪声的同时，容易导致条纹边缘信息的丢失甚至破坏。针对该问题，本文提出基于正余弦变换和双调滤波相结合的剪切散斑干涉图像去噪方法。该方法首先对相位条纹图进行正余弦变换获得两幅图像，其次对这两幅图像分别运用双调滤波方法进行去噪，最后将滤波后的两幅图像合并为最终的相位条纹图。实验结果表明：经本文方法滤波后的相位图散斑抑制指数为0.999，平均保持指数为2.995，证明该方法较传统去噪方法能更好地改善相位图质量，且能较大程度地保留相位条纹的细节及边缘信息。

条纹结构光技术是近年来发展迅速的非接触式测量方法，为机械加工在机检测提供了新的解决方案。由于加工环境光线复杂且金属零件本身具有高反光的特性，造成结构光在机检测的精度降低。将高动态范围(High Dynamic Range，HDR)技术应用于结构光检测中，可抑制高反光的影响，实现金属零件在复杂场景的测量。本文首先介绍了结构光测量原理，总结出HDR结构光在机检测面临的难点；其次，对HDR结构光技术进行了全面综述，以机械加工在机检测为背景，对基于硬件设备的HDR技术和基于条纹算法的HDR技术分别进行了归纳分析；然后，根据在机检测的条件需求，对各类技术进行总结，并比较不同方法的优缺点和在机检测的适用性；最后，结合近年来先进制造技术和精密测量的研究热点，对潜在应用进行分析，提出技术展望。

脉冲宽度为皮秒的红光 器，具有脉冲宽度窄，峰值功率高的优点，使其在工业、医疗、科研和信息存储等方面具有广泛的应用。本文采用声光锁模(AOML)的方式设计了一款具有窄线宽、高转换效率，输出波长为660 nm的全固态皮秒 器。该 器采用半导体侧面泵浦的方式，通过优化谐振腔型，并使用两块LiB₃O₅ ( LBO )晶体进行腔外倍频，最终获得最大输出功率为8.6 W的660 nm 输出。 器采用脉冲侧面泵浦的模式，获得的其中锁模脉冲的频率为100 MHz，脉冲宽度为887 ps。1319 nm至660 nm 的倍频转换效率可达41%。

钙钛矿材料具有优异的光学性能和较高的载流子迁移率，成为空间太阳能电池领域极具竞争力的材料。然而空间粒子辐照容易改变材料结构和光学性能，导致其性能下降。为了探究电子辐照对CsPbBr₃材料结构与光学特性的影响规律，本文开展了CsPbBr₃材料电子辐照实验，利用高分辨透射电子显微镜表征CsPbBr₃纳米晶微观形貌，并通过X射线衍射分析和X射线光电子能谱分析进一步探究晶体结构的变化趋势。研究发现：电子辐照后CsPbBr₃纳米晶形貌变得粗糙，尺寸明显减小，并且纳米晶在高剂量电子辐照下变得紧凑，形成纳米团簇。其次，通过稳态紫外-可见吸收光谱图与光致发光谱图表征CsPbBr₃材料的光学性能，并利用第一性原理计算分析辐照后晶格膨胀带来的带隙变化。研究证明电子辐照后纳米晶颜色加深，影响钙钛矿的透光率，进而增强了样品对光的吸收性能，同时电子辐照能够分解CsPbBr₃纳米晶，特别是高剂量辐照后其光致发光性能降低了53.7%～78.6%。本文研究结果为钙钛矿纳米晶空间辐射损伤机理及应用研究提供了数据支撑。

本文针对空间目标受到的太阳辐射、地球辐射、地球反照辐射，采用蒙特卡洛（Monte Carlo）法，基于非结构四面体网格编写了仿真程序，并对计算结果进行了对比验证。进一步地，对太阳同步轨道卫星受到的轨道外热流，采用带帆板的网格对有无遮挡情况下各表面受到的轨道外热流进行了分析。结果显示，在对地模式下考虑遮挡后，−Y表面平均热流值降低了53.79 W/m²，+Y−Z侧帆板表面平均热流值降低了32.05 W/m²。结合表面材料属性，分析了各表面的温度特性，并结合帆板温度的在轨遥测数据，验证了计算的准确性。最后，计算了两种模式下各方向的红外辐射强度。结果表明，不同观测模式下各表面受热流的影响不同，对地模式下各表面温度随时间变化较大，而对日模式下各表面热流较为稳定。两种模式下，太阳能帆板的温度较高，辐射强度较大，具有明显的红外特征，便于开展红外观测。

为缩短12寸晶圆检测成像系统的轴向和径向尺寸，提出一种小角度棱镜折转光路与超短物像距镜头相结合的解决方法。设计优于1/12λ（λ=632.8 nm）面形精度的小角度棱镜折转光路，实现照明系统与成像镜头的水平布置，径向尺寸仅为80 mm，在保证不影响系统成像质量的前提下，极大地降低了整个系统的径向尺寸，同时也实现12°的小角度明场照明。设计放大倍率为0.264的对称混合型光学系统，采用纯球面系统获得较大成像视场，像高为81.92 mm，物像距仅为392.5 mm，极大地降低了整个系统轴向尺寸。设计结果表明，整个成像系统全视场平均光学传递函数优于0.4@100l p/mm，相对畸变优于0.03%，像面照度均匀性全视场优于50%。实际测试结果表明：全视场实际成像分辨率优于18.88 μm，达到了系统极限分辨率；全视场像面照度均匀性为43.3%，满足均匀性优于40%的研制要求。研究结果表明本文提出的超薄超短物像距高分辨率检测成像系统合理、有效，解决了12寸晶圆检测成像系统空间尺寸压缩的难题，并降低了研制成本，为后续近距离大尺寸物体检测成像系统的研制提供参考依据。

长波红外变焦光学系统相对于中波红外变焦光学系统存在可用材料少、系统高低温环境无热化难度大等难题。本文采用机械补偿变焦技术实现光学多视场变焦，利用主动补偿的消热差技术使系统在−40 °C~+65 °C温度范围内能够清晰成像，实现四片透镜架构的制冷型长波红外四视场光学系统设计。该光学系统四视场焦距分别为25 mm、109 mm、275 mm、400 mm，变倍比为15，光学系统包络尺寸为268 mm（长）×200 mm（宽），光学零件总质量为618 g。该光学系统具有质量轻、性能高、成本低等SWaP-C特征，在辅助导航、搜索、跟踪等安防领域中具有较大应用潜力。

基于多纵模振荡种子源的窄线宽光纤 器具有光路简单、结构紧凑、可靠性高、成本低等特点，在实际工程应用以及在空间受限的载荷平台上有着显著优势，是高功率光谱合成的理想子束模块。受自脉冲效应的影响，多纵模振荡种子源的时域特性较差，导致放大过程中会产生较强的光谱展宽与受激拉曼散射效应。这限制了其输出功率的进一步提升并降低了其光谱纯度。本文首先介绍了4种常见的窄线宽种子源，并重点分析了多纵模振荡种子源中自脉冲效应产生的机理及抑制方法，对优化多纵模振荡种子源和放大器的关键技术进行了详细介绍，归纳总结了近几年的技术突破与研究成果，对未来的发展方向进行了展望分析。本文研究对基于多纵模振荡种子源的窄线宽 器的功率提升和光谱优化提供一定思路。

生物组织散射引起的光学像差限制了光学系统的成像性能。本文研究了基于间接波前整形的近红外二区荧光共聚焦成像技术。首先，制备了高效率近红外二区荧光探针，降低该波段生物组织的散射有助于实现高对比度的活体组织成像。其次，研究了基于间接波前测量的自适应光学方法，将间接波前整形技术应用于 扫描共聚焦显微系统中，以实现对生物组织引起的光学像差的测量与补偿，获得生物组织的高信噪比成像。最后，对基于间接波前整形的近红外二区荧光共聚焦成像系统开展了相关实验。实验结果表明，本系统对空气平板、散射介质和小鼠颅骨等产生的像差具有良好的补偿效果，分别将最终信号强度提升了1.47、1.95和2.85倍，显著提升了最终的成像质量。

相位提取与深度估计是结构光三维测量中的重点环节，目前使用传统方法对结构光进行分析存在效率不高、结果不够鲁棒等问题。为了提高深度学习结构光的重建效果，本文提出了一种基于轻型自限制注意力（Light Self-Limited-Attention，LSLA）的结构光相位及深度估计混合网络，即构建一种CNN-Transformer的混合模块，并将构建的混合模块放入U型架构中，实现CNN与Transformer的优势互补。将所提出的网络在结构光相位估计和结构光深度估计两个任务上进行实验，并和其他网络进行对比。实验结果表明：相比其他网络，本文所提出的网络在相位估计和深度估计的细节处理上更加精细，在结构光相位估计实验中，精度最高提升31%；在结构光深度估计实验中，精度最高提升26%。该方法提高了深度神经网络在结构光相位估计及深度估计的准确性。

为提供高品质、智能健康的照明光源，基于三基色LED光源构建了线性调光混合照明系统，并提出一种调光调色的优化方法。混合光源的光色度和光强度分别用色温和明度等级来设定，使得混合照明效果更加符合“人因照明”的需求。在系统的智能优化配光过程中，将色温转化为CIE \begin{document}$ {u}'{v}' $\end{document}色度坐标，明度转化为亮度，使优化计算更加精确。该系统采用线性调光的方式，既能有效避免混合光源闪烁带来的健康安全问题，配合优化算法又有效解决了线性调光色度漂移大的问题。实验结果表明，在2000 K~8000 K的色温范围内，混合照明系统混合光的色度稳定性保持在1阶CIE \begin{document}$ {u}'{v}' $\end{document}圆内，在对应色温下的整个光强度调节范围内无可察觉的色差。采用线性调光方式在保持光色度稳定上比脉冲宽度调光方式效果更佳。理论探究和实验结果表明该混光照明系统简易可行，具有较高的实用价值。

遥感卫星在国防和民用探测等领域发挥着重要作用，而大气湍流严重影响高分辨率遥感卫星的成像质量。本文重点研究了遥感卫星对地探测时，相机口径、卫星轨高和大气湍流强度对空间相机成像质量的影响。首先，基于球面波传输模型和Kolmogorov湍流理论，针对空对地探测湍流波前进行仿真。然后，分析畸变波前随相机口径、卫星轨高和大气相干长度的变化规律，并推导出普适公式。在此基础上，进一步推导出空间相机成像分辨率随相机口径、卫星轨高和大气相干长度变化的计算公式。最后，研究了大气湍流对空间相机调制传递函数（MTF）的影响，并以MTF=0.15为基准，仿真分析了MTF相对误差随相机口径、卫星轨高和大气相干长度的变化规律。本研究为高分辨率遥感卫星的设计、分析和评估提供理论依据。

本文提出了一种基于Micro LED阵列的车灯投影方案，设计了以像素尺寸为80 μm×80 μm的200×150白光Micro LED阵列作为显示光源，视场角为16°×34°的车灯投影光学系统，并对物面倾斜角度和光学系统结构进行了优化。此外，分别采用反向畸变处理方法和像素灰度调制方法用以解决车灯投影图像的梯形畸变和照度均匀性问题，并搭建了投影实验平台，对图像校正方法进行了验证。实验结果表明：校正后x、y方向的图像梯形畸变系数分别从0.0932和0.3680下降至0.0835和0.0373，像面照度均匀性从83.2%提高到93.2%。本文通过对基于Micro LED的倾斜投影车灯光学系统进行优化设计及采用图像校正方法，实现了高光效、低畸变的车灯投影。

常规成像光谱仪一般变倍比较低，不利于大视场长狭缝多通道光学系统的扩展应用，此外，空间遥感中紫外波段的辐射能量较低，需要成像光谱仪具有更小的F数。针对高光谱分辨率成像光谱仪小F数的探测需求，本文设计了一种具有高变倍的高光谱分辨率Offner紫外成像光谱仪。该成像光谱仪的后置分光系统采用了具有轻小型特点的改进型Offner结构。结合成像光谱仪对变倍比和小F数的需求，通过理论推导得到Offner初始结构参数。在像面前插入一块弯月透镜，增加系统的优化自由度，进而提升系统的成像质量。最终得到的成像光谱仪工作在270~300 nm波段时，具有40 mm的长狭缝，光谱分辨率优于0.6 nm，系统变倍比小于0.22，F数小于2，在截止频率为14 lp/mm 时，系统调制传递函数（MTF）均优于0.9，系统各波段各视场均方根半径（RMS）均小于12 μm。本文的研究对紫外波段高光谱探测成像光谱仪实现小F数、高变倍设计提供了一种设计方案。

为了实现凹非球面的快速、高精度与通用化检测，文中提出了一种将非球面当做球面，直接采用干涉仪检测的非零位干涉检测方法，并结合相应的数据处理方法，获得非球面的面形误差检测结果。首先，介绍了该方法的检测原理，建立了回程误差、调整误差的计算与去除模型，研究了面形误差的数据处理方法。然后，以两个不同非球面度的凹非球面为例，对其回程误差和调整误差进行了仿真计算，验证了该方法的有效性。最后，搭建了凹非球面的非零位检测实验装置，成功测量得到其面形误差。通过与自准直零位检测法或LUPHOScan轮廓测量法检测结果对比发现，两种方法测量得到的面形分布和评价指标具有高度一致性。验证了该检测方法的正确性。该检测方法在保证高精度测量的同时兼备一定的通用性与便捷性，为凹非球面的通用化检测提供了一种有效手段。

为了降低探测器的噪声与暗电流，使光谱仪的CMOS探测器能获得更准确的光谱曲线，设计了探测器温度控制系统。本系统核心采用基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的增量式比例-积分-微分（PID）控制算法。在传统控制算法的基础上，增加了抗积分饱和控制，并且在PID算法的前端增加了对目标值的过渡过程。该系统在实现探测器温度变化速率可控的同时，也解决了超调过大的问题。多次整机环境实验结果表明：在轨环境温度条件下，40 °C温差范围内该系统可以控制探测器以指定温变速率（4.5±0.05） °C/min达到任意温度；并且可在该温度下稳定工作；温度变化范围为±0.1 °C。相比于传统模拟PID控制方法，其具有灵活度高，稳定性强等优点。当制冷到−10 °C时，探测器的噪声得到了有效抑制。

针对气体 遥测光信号微弱、环境因素干扰强等特点，结合波长调制技术，设计和研究了用于TDLAS 遥测的高灵敏度光电探测电路(Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit, HSPDC)。基于波长调制技术，确定了TDLAS信号噪声抑制方法；采用光电二极管理想模型，分析了光电探测电路的线性响应特性并确定了光电二极管的关键参数；基于级联放大原理设计、仿真并对HSPDC进行测试。结果表明：所设计HSPDC的光功率检测下限为0.11 nW，信号衰减仅为0.79 dB(f=10 kHz)，截止频率较现有10⁸ V/A跨阻放大电路高一个数量级，可用于高速调制微弱光信号的探测。搭建了气体 遥测系统，当调制频率为3 kHz时， 遥测系统获得了良好的检测性能，检测灵敏度达到88.66 mV/ppm，检测限优于0.565 ppm，线性拟合度R²为0.9996。研究表明，研制的HSPDC光电探测电路具有响应速度快、检测灵敏度高等优点，可集成化，能满足气体 遥测应用需求。

紫外 器是研究紫外共振拉曼光谱的重要工具，拉曼信号可以通过共振拉曼效应得到增强，从而降低拉曼测量的探测极限。本文研究了一种输出波长为228 nm的窄脉宽全固态紫外 器。首先，以Nd:YVO₄作为增益介质，采用电光调Q腔倒空技术，实现了纳秒量级914 nm基频光输出。然后，经过偏硼酸锂(LBO)晶体产生二次谐波，最终经偏硼酸钡(BBO)晶体获得四次谐波228 nm紫外 。在此基础上，进一步研究了不同重复频率时基频光和倍频光功率的变化规律，优化了紫外 器的输出效率。实验结果表明：当总抽运功率为30 W时，在10 kHz重复频率下，可获得最高平均功率为84 mW的228 nm紫外 输出。228 nm 在5~25 kHz重复频率范围内连续可调，脉冲宽度保持在2.8~2.9 ns，能够满足紫外光谱检测技术领域的应用需求。

诱导击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)是利用强脉冲 与物质相互作用所产生的等离子体光谱来实现对物质组成元素定性和定量分析的一种新方法。在脉冲 诱导等离子体的过程中，不同的 参数(能量、脉宽、波长)、检测过程中的环境条件以及材料本身的特性等，对 诱导等离子体的物理机制都有不同程度的影响，进而影响LIBS定量分析的结果。本文综述了现阶段LIBS技术中包括LIBS基本原理、 参数区别、环境和材料特性差异所涉及的物理机制。为深入理解 与物质相互作用、提升LIBS检测能力提供了依据。

细胞内镜需实现最大倍率约500倍的连续放大成像，受光纤照明及杂散光的影响，其图像存在不均匀光照，且光照分布会随放大倍率的变化而变化。这会影响医生对病灶的观察及判断。为此，本文提出一种基于细胞内镜光照模型的图像不均匀光照校正算法。根据图像信息由光照分量和反射分量组成这一基础，该算法通过卷积神经网络学习图像的光照分量，并基于二维Gamma函数实现不均匀光照校正。实验表明，经本文方法进行不均匀光照校正后，图像的光照分量平均梯度和离散熵分别为0.22和7.89，优于自适应直方图均衡化、同态滤波和单尺度Retinex等传统方法以及基于深度学习的WSI-FCN算法。

为研究气体流道结构对半导体泵浦流动碱金属蒸气 器（FDPAL）输出性能的影响，本文结合FDPAL中气体传热、流体力学和 动力学过程建立了FDPAL理论模型，以侧面泵浦Rb蒸气FDPAL（Rb-FDPAL）为仿真对象，分析气体流动方向、流道横截面积和流道形状等对Rb-FDPAL输出性能的影响。结果表明，采用横流方式，通过提高流道横截面积并将气体流道与蒸气池连接部位设置为砌体结构时，蒸气内涡流得到有效抑制，气体流速增加，蒸气池内热效应更小，Rb-FDPAL的 输出功率和斜率效率更高，仿真结果与实验相符。

空间态势感知（Space Situational Awareness, SSA）数据仿真可以为空间监测设备及态势感知算法（包括空间目标检测、跟踪、识别和表征）的开发、测试和验证提供关键性数据支持，在空间态势感知能力建设中发挥重要作用。本文以天基空间态势感知光学数据仿真为研究对象，给出了SSA数据仿真的研究目的和主要研究内容，详述了SSA光学成像仿真的典型研究方法与过程。介绍了国内外相关工作的研究现状与工作进展，涵盖双目视觉传感器、 雷达、红外传感器、可见光望远镜和恒星敏感器等不同光学传感系统的成像建模与仿真工作成果。分析了空间态势感知数据仿真研究的发展趋势，为未来SSA数据仿真研究思路与方法提供参考。

太赫兹波具有高穿透性、低能性及指纹谱性等特征，在探测领域被广泛应用，因此设计太赫兹波成像光学系统具有重要的意义和广泛的应用前景。首先，以四块透镜构成的天塞物镜为参考结构，应用近轴光学系统像差理论构建系统像差平衡方程，给出了系统初始结构参数求解函数和方法，再结合光学设计软件对系统像差进一步校正，最终设计了一种用于太赫兹波探测的大孔径光学成像系统。该光学系统由四块同轴折射透镜构成，焦距70 mm，F数为1.4，全视场角为8°，在奈奎斯特频率10 lp/mm处全视场角范围内的调制传递函数（MTF）值均大于0.32，各视场内的弥散斑均方根（RMS）半径均小于艾里斑半径，最后对系统各种公差进行分析和讨论。设计结果表明，本文设计的太赫兹波探测光学成像系统具有孔径大、结构简单且紧凑、成像质量较好且加工性易于实现等特点，满足设计要求，它在太赫兹波段高分辨率探测领域具有重要应用价值。

基于光子晶体非线性效应和线性干涉效应设计了全光异或、非和与逻辑门，用时域有限差分法对设计结构进行了仿真。应用反演定理拆分较复杂逻辑表达式，通过级联组合设计了全光或非门和四输入与门逻辑器件。本文利用时域有限差分法进行仿真模拟计算，对非线性环形腔的耦合特性进行了分析，然后在信号波长为1.47 μm条件下设计了上述逻辑器件，且可以扩展输入设计出更多输入的器件。对四输入与逻辑器件逻辑功能受信号功率的影响做了分析，结果表明信号光源功率在1.1 W/um²到3.4 W/um²之间时，输出端逻辑对比度均大于10 dB。所设计器件响应时间最高仅需1.6 ps，占用面积小，易于扩展与集成，在光处理系统和集成光路中有较大应用前景。

为了消除 诱导击穿光谱技术（laser-induced breakdown spectroscopy，LIBS）中的自吸收效应，提高元素定量分析的精确度，同时满足工业中便捷分析元素的要求，需将自吸收免疫 诱导击穿光谱技术（self-absorption free laser-induced breakdown spectroscopy，SAF-LIBS）的装置小型化。本文发展了一套新型的高重频声光门控SAF-LIBS定量分析方法，使用高重频 器产生准连续的等离子体以增强光谱强度，并将声光调制器（acousto-optic modulator，AOM）作为门控开关，从而使微型CCD光谱仪和AOM能够代替传统大型SAF-LIBS装置中的像增强探测器（intensified charge coupled device，ICCD）和中阶梯型光栅光谱仪，实现自吸收免疫的同时缩小了装置的体积，降低了装置的成本。将该系统参数进行优化选择后，对样品中的Al元素进行了定量分析和预测。实验结果表明，等离子体的特性受 重复频率的影响进而会影响光谱信号的强度。在1 ~ 50 kHz 重复频率范围内，Al I 394.4 nm和Al I 396.15 nm的双线强度先增强后减弱，确定最佳的 重复频率为10 kHz。在不同的光纤采集角度下，Al的双线强度比随延迟时间的增加而减小，在45°处信噪比最高，且在一定的积分时间下，最佳光学薄时间t_ot为426 ns。在 重复频率为10 kHz、光纤采集角为45°、延迟时间为400 ns的条件下，对Al元素进行定量分析和预测结果表明，Al元素定标曲线的线性度R²为0.982，平均绝对测量误差相对于单一LIBS的0.8%可以降低至0.18%，定量分析结果不仅更加精确而且与传统大型SAF-LIBS装置的测量精度相持平。因此本高重频声光门控SAF-LIBS不仅有效地屏蔽了光学厚等离子体中的连续背景辐射和谱线加宽，同时具备小型化、低成本、高可靠性的优点，有助于推动SAF-LIBS技术由实验室走向工业应用。

针对传统光电探测手段在强光背景下目标探测对比度低的问题，提出一种基于 照明的主动偏振成像方法。通过构建 入射双向反射分布模型、 入射偏振双向反射分布模型以及 照明的目标表面偏振度模型，分析三种典型目标材料偏振特性与束散角之间的耦合关系；在暗室可控条件下开展逆光观测实验，验证目标偏振特性受 束散角的影响。实验结果表明：强光背景下主动偏振成像目标对比度与传统被动强度成像相比提升86.11%，不同束散角下不同目标材料的可见光偏振特性存在差异，金属材质相对于非金属材质线偏振度提升更高，实验结果与理论分析具有较好的一致性。在室外开展太阳逆光观测实验，验证了研究方法在室外高强光、远距离下依旧具有适用性。本研究可为提升强光背景下目标精准感知能力奠定理论基础。

Time of Flight（ToF）深度相机是获取三维点云数据的重要手段之一，但ToF深度相机受到自身硬件和外部环境的限制，其测量数据存在一定的误差。针对ToF深度相机的非系统误差，本文通过实验验证了被测目标的颜色、距离和相对运动均会对深度相机获取的数据产生影响，且所生的误差影响均不相同。基于摆动误差以及任何信号都可以表示成傅里叶级数的形式，文中提出了新的测量误差模型对颜色和距离产生的误差进行了校正；对于相对运动产生的误差，建立了三维运动模糊函数进行恢复。通过对所建的校正模型进行数值分析，距离和颜色的残余误差小于4 mm，相对运动所带来的误差小于0.7 mm。本文所做工作改善了ToF深度相机的测量数据的质量，为开展三维点云重建等工作提供了更精准的数据支持。

为实现包装盒的纸质基底层和透明膜层缺陷的同步检测，开展对纸和膜缺陷同步成像特性研究。首先，分别建立了标准球面积分光场、椭球面积分光场和弧面积分光场模型，并利用COMSOL Multiphysics 5.6对三类光场进行射线仿真，对比球面积分光场下射线角度均匀性及辐照均匀性,通过正交仿真优化椭球面积分光场参数；其次，在椭球面积分光场环境、亮场前打光环境、暗场前打光环境下对包装盒成像，与此同时，对包装盒的油污、抵触、开口、泡皱、破损五项常见缺陷成像依次进行物理检测和机器视检测，验证缺陷成像的有效性。试验结果表明，在椭球面积分光场下成像，图像对纸质基底层缺陷特征、透明膜层缺陷特征均有较好的呈现效果，图像上油污、抵触、开口、泡皱、破损的物理检出率分别为96.2%、92.5%、100%、95%、92%，异常检出率分别为98.6%、97.5%、100%、100%、98.4%，缺陷类别检出率分别为97.6%、96%、100%、97%、96%。研究结果表明，椭球面积分光场光路角度和辐照强度均匀，覆透明膜包装盒的缺陷特征呈现清晰，满足工业生产的检测要求。

为了实现窄带完美吸收，本文提出了一种简单的三层金-二氧化硅-金薄膜(MDM)结构，通过电磁波时域差分算法(FDTD)模拟仿真和理论计算详细的分析了该结构的可调谐吸收特性，同时建立了理论模型，分析了其中存在的电磁模式以及窄带完美吸收的物理机制。首先，利用电磁波时域差分算法和传输矩阵算法(TMM)对该结构进行了理论计算，详细地分析了各个结构参数对吸收光谱的影响，然后对该结构形成的窄带完美吸收物理机制进行了分析讨论，最后利用磁控溅射的制备手段，成功地制备了三层结构的样片，在实验上观测到的结果与理论仿真一致。实验结果表明：本文中提出的这种窄带完美吸收结构，可以实现最窄带宽约21 nm，最高吸收可达99.51%。基本实现了窄带完美吸收，为相关应用奠定了基础。

为了更好地对大口径分段望远镜进行集成检测与稳定性保持基准构建，首先，基于采用局部光瞳投射的方式实现光瞳对准映射，其次，利用微透镜阵列构建系统共焦空间基准，之后，基于环带整体调控模式，采用共焦与曲率半径联合分析的方法，实现曲率半径与系统对准的共同调节。最后，利用白光干涉所形成的条纹包络进行粗共相探测，并利用通道光谱方法实现粗共相与精共相间的精度衔接，空间共焦基准定位精度优于125微米。获得共相基准覆盖范围优于在20微米的范围上优于0.5微米，光谱基准不确定度优于5%。实现了不同时空特征扰动的分层次、多模态抑制，利用以上共基准原位测量新方法和有效提升光学系统原位计量检测精度以及缩短溯源链长度，增加检测的效率与准确度。

为解决哈特曼-夏克波前传感器传统标定方法存在的测量精度低、稳定性不足等问题，提出了一种基于球面波的哈特曼-夏克波前传感器高精度绝对标定的方法。通过理论推导获取了球面波的高精度标定方法，结合搭建的球面波标定实验装置，对子孔径数为128×128的哈特曼-夏克波前传感器完成高精度标定，该方法计算得到哈特曼-夏克波前传感器结构参数f，w以及L₀的精确值；对标定后哈特曼-夏克波前传感器的测量精度进行测试。实验结果表明，经本文方法标定后的哈特曼-夏克波前传感器的波前复原精度达到了PV=1.376×10⁻²λ，RMS=4×10⁻³λ（λ=625 nm），重复性精度为PV=3.2×10⁻³λ，RMS=9.76×10⁻⁴λ（λ=625 nm）。该方法可以为大口径的SHWFS完成高精度标定，提升测量精度。

针对彩色数字相机高成像质量以及高色准的需求，本文研究了基于Philips棱镜的3CMOS相机的光学系统设计以及相机光谱优化方法。通过对Philips棱镜进行光路建模的方法优化了棱镜的结构参数，使棱镜在保证全内反射以及出射窗口大小的条件下，减小了系统的体积，并由此设计了Philips棱镜3CMOS相机光学系统，其视场角为45°，相对孔径1/2.8，系统的MTF在110 lp/mm的奈奎斯特采样频率下全视场全波段均大于0.4。之后，基于色度学基本原理建立了Philips棱镜相机的矢量成像模型，分析了由光线入射角度的变化造成的薄膜光谱偏移问题，提出了宽光束下光谱偏移的修正模型。利用该模型设计并优化了相机中的四组光学薄膜，通过光路仿真实验以及色差分析，基于优化后的相机光谱，系统的平均色差降低了15.8%，像面颜色不均匀性降低了60%。结果表明：本文设计的光学系统拥有良好的成像质量，并且优化后的相机光谱实现了良好的颜色性能以及颜色均匀性。

痕量气体作为大气的重要成份，对地球的生态起着重要作用。为了实现全天时连续测量、宽波段、高光谱的探测需求，本文设计了一款在掩星探测模式下工作的高光谱成像光谱仪。该系统为共狭缝的双通道结构，紫外-可见光通道采用单凹面光栅结构、红外通道采用利特罗与浸没光栅结合结构，有效地减小了体积。利用软件对光学结构进行优化，优化结果表明：光谱仪在250~952 nm波段范围内工作，其中紫外-可见光通道工作波段为250~675 nm、光谱分辨率优于1 nm、MTF在奈奎斯特频率为20 lp/mm处均高于0.58、全视场各波长处RMS值均小于21 μm；红外通道工作波段为756~952 nm、光谱分辨率优于0.2 nm、MTF在奈奎斯特频率为20 lp/mm处均高于0.76、全视场各波长处RMS值均小于6 μm，均满足设计要求，该高光谱成像光谱仪系统可以实现对痕量气体的掩星探测。

太赫兹波具有高穿透性、低能性及指纹谱性等特征，在探测领域被广泛应用，因此设计太赫兹波成像光学系统具有重要的意义和广泛的应用前景。首先，以四块透镜构成的天塞物镜为参考结构，应用近轴光学系统像差理论构建系统像差平衡方程，给出了系统初始结构参数求解函数和方法，再结合光学设计软件对系统像差进一步校正，最终设计了一种用于太赫兹波探测的大孔径光学成像系统。该光学系统由四块同轴折射透镜构成，焦距70 mm，F数为1.4，全视场角为8°，在奈奎斯特频率10 lp/mm处全视场角范围内的调制传递函数（MTF）值均大于0.32，各视场内的弥散斑均方根（RMS）半径均小于艾里斑半径，最后对系统各种公差进行分析和讨论。设计结果表明，本文设计的太赫兹波探测光学成像系统具有孔径大、结构简单且紧凑、成像质量较好且加工性易于实现等特点，满足设计要求，它在太赫兹波段高分辨率探测领域具有重要应用价值。

鬼像是由于镜面间的残余反射所产生的一种杂散光。鬼像会降低光学系统的成像清晰度，湮灭目标，严重影响光学系统的性能。为了探究鬼像对成像系统性能的影响，构建了二次反射产生的鬼像影响下的调制传递函数(MTF)的计算模型。本文首先介绍了在近轴近似下的鬼像分析与描述的方法。接着，从调制传递函数的定义出发，考虑鬼像在像面处的照度对像面调制度的影响，构建了鬼像影响下的MTF计算模型。通过对一系统进行实例计算，并与仿真结果进行比对得到均方误差最大不超过0.049373，进而验证了该模型的准确性。同时针对误差较大的结果进行了详细分析，明确了该计算方法的适用范围。研究结果表明，利用近轴近似的方法计算鬼像影响下的MTF在大多数情况下是真实准确的，该研究为光学系统的鬼像分析方面做出了有益探索。

目的：针对铁谱图像获取时人工对焦误差大、速度慢等问题，提出了一种融合全局信息和局部信息的铁谱图像自动对焦方法。方法：此方法分为两个阶段：全局对焦阶段利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks，CNN)提取整幅图像的特征向量，并利用门控循环单元(Gate Recurrent Unit，GRU)融合对焦过程提取的特征，预测当前全局离焦距离，起到粗对焦的作用；局部对焦阶段提取磨粒的特征向量，利用GRU融合当前特征与前一轮对焦提取的特征，并依据最厚磨粒信息，预测当前磨粒离焦距离，起到精对焦的作用。同时，为了提高对焦准确率，提出了结合拉普拉斯梯度的对焦方向判定法。结果：实验结果表明，此算法在测试集上的对焦误差为2.51 μm，当景深为2.0 μm时对焦准确率为80.1%，平均对焦时间为0.771 s。结论：具有较好的性能，为铁谱图像自动和准确采集提供了方法。

液晶波前校正器通常基于液晶显示器的工艺制备而成，因此其研制成本高、定制难度大。本文基于掩模光刻法制备液晶波前校正器，以实现液晶波前校正器的专用化、低成本研制。首先，基于掩模光刻技术设计并制备了91像素的无源液晶驱动电极，并封装成液晶光学校正单元。然后，设计并制备了驱动连接电路板，实现液晶光学驱动单元和驱动电路板的匹配对接。接着，进行液晶波前校正器响应特性检测，结果显示，其相位调制量为5.5个波长，响应时间为224 ms。最后，利用Zygo干涉仪进行球面波的产生和静态倾斜像差的校正，结果显示，其可以产生正负离焦波前，且对水平倾斜像差校正后，Zernike多项式中第一项的值从1.18降至0.16，校正幅度达86%，实现了像差的有效校正。本文的研究工作可为液晶波前校正器的研制提供新思路，进而拓宽其应用领域和场景。

点云配准是获取三维点云模型空间姿态的关键步骤，为了进一步提高点云配准的效率和准确性，提出了一种基于逐点前进法特征点提取的改进型点云配准方法。首先，利用逐点前进法快速提取点云特征点，在保留点云模型特征的同时大幅精简点云数量。然后，通过使用法向量约束改进的KN-4PCS算法进行粗配准，以实现源点云与目标点云的初步配准。最后，使用双向Kd-tree优化的LM-ICP算法完成精配准。实验结果表明，本文方法具有较高的精度和效率，同时具有较好的鲁棒性，在斯坦福大学开放点云数据配准实验中，其平均误差较SAC-IA+ICP算法减少了约70.2％，较NDT+ICP算法减少了约49.6％，配准耗时分别减少约86.2%和81.9%，同时在引入不同程度的高斯噪声后仍能保持较高的精度和较低的耗时。在真实室内物体点云配准实验中，其平均配准误差为0.0742 mm，算法耗时平均为0.572 s。通过斯坦福开放数据与真实室内场景物体点云数据对比分析表明，本方法能够有效地提高点云配准的效率、准确性和鲁棒性，为基于点云的室内目标识别与位姿估计奠定了良好的基础。

针对高能 器出光过程中出现的大量离焦和0°像散低阶像差这一现象，提出了基于哈特曼波前传感器和二维整形光路的XY离焦像差校正方法。首先通过对Zernike多项式的离焦项和0°像散项进行线性组合得到XY离焦像差表达式，该XY离焦像差系数大小可直接表征X离焦和Y离焦的波前PV值。同时，通过微调高能 器中二维整形光路中的镜子间距，可实现 器输出光束XY离焦波面的补偿。因此，首先利用哈特曼波前传感器提取出光束的XY离焦像差系数大小，而后计算机再根据XY离焦像差系数大小实时闭环微调二维整形光路中的镜子间距，从而实现XY离焦像差的校正，改善输出光束的光束质量。实验结果表明，该方法可有效地将高能 器输出光束XY离焦量的PV值由5.2 μm和1.1 μm校正到0.5 μm以下，相应的光束质量β因子由3.1降到1.8，光束质量得到明显改善。

三维重构是文物数字化的关键技术，其中三维点云配准精度是评估重构质量优劣的重要指标之一。实际采样中，文物点云细节信息繁多，传统降采样后易出现细节缺失从而影响配准精度。为了解决这一问题，本文提出了一种基于曲率特征的文物点云分类降采样与配准方法。首先，通过线性矩阵 测量获取文物的三维点云数据。其次，计算所有点的曲率值，并设置曲率阈值进行点云分类，不同点集按照其特征属性进行不同权重的降采样，从而最大限度地保留点云的形态特征和细节信息。最后通过求解刚性变换模型实现点云的配准。点云配准前的降采样处理后点云数据降至原始点云的1/3,与传统的整体降采样ICP方法对比，平均距离从0.89 mm约降至0.59 mm,标准偏差从0.29 mm约降至0.18 mm。在降低点云数据的同时也保证了配准的精度，适用于不同类型的文物点云数据。

为解决相位生成载波-反正切解调算法(PGC-Atan)的非线性失真问题，搭建了基于改进型PGC-Atan算法的非本征型法珀传感器(EFPI)解调系统。首先，理论分析载波相位调制深度(C)偏离最优值、伴生调幅、载波相位延迟等非线性因素对经典PGC-Atan算法中参与反正切运算的正弦与余弦两路信号的影响。然后，针对外调制或伴生调幅较小的情况，提出了一种基于系数补偿的改进型PGC-Atan算法(PGC-CC-Atan)。该算法通过构造与C值和载波相位延迟有关的系数，消除反正切运算中的非线性参数。针对内调制情况，提出了一种基于椭圆拟合的改进型PGC-Atan算法(PGC-EF-Atan)。该算法通过基于分块矩阵的最小二乘法拟合椭圆并提取3个椭圆参数，进而将受非线性因素影响的正弦与余弦两路信号校正为正交信号。最后，通过仿真验证了改进型算法的正确性，并采用高调制特性的垂直腔面发射 器(VCSEL)和常规腔长的EFPI传感器等搭建PGC解调系统，对比经典PGC-Atan算法与两种改进型算法的解调性能，证实了改进型算法抑制非线性失真的有效性。实验结果表明：一定C值范围内，两种改进型算法可在非线性因素影响下有效解调。PGC-EF-Atan算法相较于PGC-CC-Atan算法，解调信纳比提升了11.602 dB，总谐波失真降低了10.951%。两种改进型算法中，PGC-EF-Atan算法对非线性失真的抑制效果更好，且解调线性度良好，准确度高。

针对传统单目视觉测量系统测量视场有限的问题，本文提出一种基于双自由度旋转平台的全向空间单目视觉测量方法。首先，对双自由度旋转平台的转轴参数进行标定，用副相机拍摄与双自由度转台固定的棋盘格标定板，对棋盘格角点的位置坐标进行提取并转化到同一相机坐标系下；利用PCA（主成分分析）平面拟合得到初始位置转轴参数中的方向向量，通过使用空间最小二乘圆拟合的方法，得到初始位置时转轴参数中的位置参数；然后，通过转台转动的角度以及罗德里格斯公式将不同位置下相机获取的数据进行坐标系统一，实现水平和竖直方向全向空间下的目标测量；最后，通过高精度 测距仪验证了本方法的测量精度，并通过与双目视觉测量系统、wMPS测量系统进行比对实验，验证了本方法的全向空间测量能力。实验结果表明，本方法测量精度基本达到双目视觉测量系统水平，但测量范围远大于双目视觉测量，可以满足全向空间测量要求。

为了提高柔性机器人抓握传感中掌心表面的重构精度，本文基于COMSOL仿真，在436 mm×436 mm×2 mm聚丙烯板上，采用7只经聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装的光纤光栅（FBG）柔性传感器，选取环形布设的方式，在板末端中心与两角分别受力的情况下，使用光纤光栅解调仪采集实验中的传感器数据，并通过三次样条插值法进行连续化，设定数个平面Y与拟合圆环相交，计算过点函数获得三维曲面点集，实现了空间曲面的拟合可视化显示。在曲面末端中心受力时，板末端位移最小相对误差为0.549%，最大相对误差为8.300%，最小绝对误差为0.051 cm，最大绝对误差为1.255 cm，板末端两角受力时，板面重构末端位移最小相对误差为2.546％，最大相对误差为14.289％，最小绝对误差为0.005 cm，最大绝对误差为0.729 cm。实验结果为柔性机器人掌心抓握传感提供了应用基础。

针对现有多波段成像系统体积大、功耗高和集成化设计困难的问题，本文提出了一种基于单传感器的三波段共口径成像光学系统的设计方法。首先，在光学系统的光阑处设计1×2多波段透镜阵列，把可见光波段和短波红外波段同时成像在一个像平面上，并把两个波段中心波长的成像位置偏差控制在一个像元内以实现双波段融合成像。然后，针对双波段成像衍射极限不同的问题，提出分通道透镜阵列的离轴偏移量和通光口径大小联合优化的方法，并采用双电动光阑高速控制三个成像通道的切换速度。最后，设计了一个基于单传感器的焦距为30 mm，工作波段分别为480~900 nm、900~1700 nm和480~1700 nm的三波段共口径光学系统，设计及分析结果表明该系统具有成像质量好、结构紧凑、无运动光学元件、成像波段切换速度快等优点。

为了研制高灵敏海水盐度传感器，本文基于CO₂ 技术成功制备出一种工作在色散转折点（DTP）附近的长周期光纤光栅（LPFG）。首先，利用CO₂ 器在80 μm细单模光纤上制备出工作在DTP附近的LPFG，证明了采用CO₂ 微加工技术制备较短周期LPFG的可能性。其次，通过调控CO₂ 器的制备周期，使高阶包层模式LP_1,9工作在DTP附近，从而显著提高了LPFG的折射率灵敏度。在双峰谐振增敏效应的作用下，当海水盐度从5.001 ‰变化到39.996 ‰时，光栅周期为115.4 μm的双峰谐振LPFG平均灵敏度高达0.279 nm/‰。研究结果表明，本文制备的LPFG海水盐度传感器具有谐振损耗大和灵敏度高的优点，其在海水盐度监测领域具有较好的应用前景。

为了解决在光声层析成像（photo acoustic tomography，PAT）中，由于不均匀光通量分布、组织复杂的光学和声学特性以及超声探测器的非理想特性等因素所致的重建图像质量下降的问题。本文提出一种PAT图像重建方法，建立考虑不均匀光通量、非定常声速、超声探测器的空间脉冲响应和电脉冲响应、有限角度扫描和稀疏采样等因素的前向成像模型，通过交替优化求解成像模型的逆问题，实现光吸收能量分布图和声速分布图的同时重建。仿真、仿体和在体实验结果表明，与反投影法、时间反演法和短滞后空间相干法相比，该方法重建图像的结构相似度和峰值信噪比可分别提高约83%、56%、22%和80%、68%、58%。与传统方法相比，对非理想成像场景采用该方法重建的图像质量有显著提高。

为了提高可见光波段(0.3 μm~0.9 μm)高温标定的效率，提出了可见光波段高温标定的简化方法。首先，提出了带有曝光时间变量的可见光波段的高温标定模型，通过大量的实验数据发现，RGB相机各个通道的灰度值不仅随曝光时间递增呈线性变化，且随黑体辐射亮度递增呈线性变化，进而确定了可见光波段高温标定模型的具体形式。然后，为了求解简化后的可见光波段高温标定模型中的未知数，在两个黑体辐射亮度下，分别采集两个曝光时间下的图像数据，接着，对图像数据进行处理，便可以得到任意曝光时间下的RGB相机高温标定曲线。最后，对本文提出的简化可见光波段高温标定方法与常规按曝光时间进行可见光波段高温标定法进行比较。实验结果表明：R通道计算值与标定值的相对误差最大值为3.38%、G通道计算值与标定值的相对误差最大值为2.56%、B通道计算值与标定值的相对误差最大值为−1.14%，且各通道的计算值与标定值的相对误差均未超过3.50%。本文提出的数学模型可以有效地简化传统的高温标定法，进而大大的缩短了高温标定时间，提高了高温标定的标定效率。

小尺寸零件的表面积小、结构复杂，传统标志点拼接方法需要在零件表面人工粘贴标志点，导致表面的测量数据缺失成为孔洞；基于特征的点云拼接方法要求零件表面具有易区分的几何或距离特征，不适用于包含重复性特征的回转体零件。本文提出一种基于机械拼接的无标志点扫描测量方法，不需要粘贴标志点，不依赖于零件表面特征。首先，采用基于摄影测量的相机标定方法重建标定板上靶点的高精度三维坐标，通过跟踪编码靶点的位置建立转台不同转角对应的旋转矩阵，进而解算出转轴方向向量和轴上定点坐标，实现转轴和相机的同步标定。其次，在完成两个转轴位姿精确标定的基础上，利用转台转角构建旋转拼接矩阵，实现多视角点云粗配准。最后，基于法向迭代最近点算法(Normal Iterative Closest Point, NICP)完成点云的精配准。实验结果表明：使用靶点跟踪法标定后的两转轴夹角误差较传统的标准球拟合法低0.023°，标定后测量标准球的整体平均尺寸误差小于0.012 mm；在小尺寸零件自动化测量时，机械拼接方法在精配准后的点云拼接效果与标志点拼接方法相近，且拼接稳定性更高。机械拼接方法适用于无法粘贴标记点的小尺寸零件三维形貌测量场景。

相较于单涡旋光束，涡旋阵列光束能够扩充信息的传输容量，研究其传输特性对其光通信应用具有重要意义。本文选取阶数为n的螺旋因斯-高斯(HIG_n,n)模式，采用海上大气折射率变换的功率谱，模拟海面大气湍流。基于相位屏法研究了一维阵列涡旋光束在海面大气湍流中光强、相位、闪烁因子和质心漂移的变化情况。结果表明：（1）HIG_n,n模式的闪烁因子和质心漂移标准差随湍流强度以及大气湍流内尺度的增加而增加；（2）n为奇数的HIG_n,n模式的闪烁因子随着阶数的增大而减小，且高于n为偶数的HIG_n,n模式；（3）阶数n>1的HIG_n,n模式比LG_0,1模式具有更好的稳定性；（4）阶数越高，HIG_n,n模式的质心漂移标准差越小。其次，选取线性阵列涡旋光束（LAVBs）进行对比，研究得出LAVBs比HIG光束具有更好的传输性能，但HIG光束独特的结构，可适用于不同的应用场景。最后，分析了椭圆参量和椭圆环数对HIG模式传输的影响，结果表明适当的增大椭圆参量或椭圆环数有助于提高HIG模式的抗湍流能力。研究结果对涡旋光束的海上应用具有指导意义。

随着星间通信系统的迅速发展，数据传输的精度要求不断提高。分光镜作为系统的核心元件，其光谱特性和面形精度直接影响整个系统的传输精度。本文基于薄膜干涉理论，选取Ta₂O₅与SiO₂作为高低折射率膜层材料进行膜系设计，采用电子束蒸发的方式在石英基板上制备高精度分光镜。同时根据膜层应力补偿原理建立面形修正模型，修正分光镜面形。经光谱分析仪检测，分光镜在入射角度为21.5°～23.5°范围内，1563 nm透过率大于98%，1540 nm反射率大于99%。经 干涉仪检测，分光镜反射面形精度RMS由λ/10修正至λ/90（λ=632.8 nm），透过面形精度RMS为λ/90。

明场成像能够提供细胞或组织的形态学信息，荧光成像可以获取关键蛋白的表达信息，基于两者的双模态关联成像是目前医学和科研中常用的组织样本检查方式。然而，在临床检查时通常利用基于邻近切片之间的关联成像进行观察。此时，组织结构和细胞层次均会有或多或少的改变，这在样本量不足、切片上的细胞有限或需要获得点对点精准形态学信息的情景下显得十分不利。因此，发展单切片双模态光学关联成像技术，在单张切片上同时提供组织形态和多个目标蛋白的分布及表达，有助于更准确地描述肿瘤及其微环境。在样本量稀缺的肾脏病理检测中，该技术显得尤为重要：肾脏病理需要利用明场成像获取苏木素-伊红染色后组织和细胞的病理形态学信息，而利用荧光成像来获取多个目标蛋白的分布及表达情况则是肾脏免疫病理筛查的必检分子项目。本文重点研究了将苏木素-伊红染色和免疫荧光染色在同一张肾脏切片上实现的组织样本处理方法，对染色、褪色及复染的流程进行改良和效果对比，并探索将单切片双模态图像进行创新性融合。

为了满足国家同步辐射光源的需要，对单晶硅小闪耀角光栅的各向异性湿法刻蚀制备工艺展开了研究，制备适用于软X射线中波波段的闪耀光栅。首先基于严格耦合波法对小闪耀角光栅进行了结构参数优化及工艺容差分析。在晶向对准过程中，先通过环形预刻蚀确定硅片晶向，再基于倍频调整法实现光栅掩模与单晶硅<111>晶向的对准。同时研究了光刻胶灰化技术及活性剂对光栅槽形质量的影响，并通过单晶硅各向异性湿法刻蚀工艺成功制备了接近于理想锯齿槽形的闪耀光栅。实验结果证明：所制备光栅闪耀角为1°，刻线密度为1200 gr/mm，闪耀面均方根粗糙度在0.5 nm以内。此方法可以应用于软X射线中波波段闪耀光栅的制作，在获得较高衍射效率的同时可以大大减少其制作难度及成本。

视差不连续区域和重复纹理区域的误匹配率高一直是影响双目立体匹配测量精度的主要问题，为此，论文提出一种基于多特征融合的立体匹配算法。首先在代价计算阶段，通过高斯加权法赋予邻域像素点的权值，从而优化绝对差之和（Sum of absolute differences，SAD）算法的计算精度，并基于Census变换改进二进制链码方式，将邻域内像素的平均灰度值与梯度图像的灰度均值相融合，进而建立左右图像对应点的判断依据并优化其编码长度；然后，构建基于十字交叉法与改进的引导滤波器相融合的聚合方法，从而实现视差值再分配以减低误匹配率；最后，论文通过赢家通吃（Winner Take All，WTA）算法获取初始视差，并采用左右一致性检测方法、亚像素法提高匹配精度，从而获取其最终的视差结果，进而建立基于多特征SAD-Census变换的立体匹配算法。实验结果表明，在Middlebury数据集的测试中，所提算法的平均非遮挡区域和全部区域的误匹配率为分别为2.67%和5.69%，测量200−900 mm距离的平均误差小于2%；而实际三维测量的最大误差为1.5%。实验结果检验了论文所提算法的有效性和可靠性。

为了实现可见光波段多路不同波长 的周期性闭环校正，设计了一种具有光束指向和位置偏差独立监测与调节的 合束系统。首先，根据系统的应用需求，提出了合束系统的设计指标与整体合束方案。然后，在合束方案的基础上，建立了合束系统的光束控制模型，并通过数值仿真得到了合束系统光束控制的解算方法。闭环合束系统通过光束指向和位置监测装置分别实现合束 指向偏差与位置偏差的独立监测，并根据监测结果进行光束调节装置控制量的解算；进而通过两维摆镜和一维平移台分别实现光束指向和位置偏差的独立高效调节。最后，采用两路不同波长的 束，配合光束监测与调节装置，搭建了闭环合束模拟实验平台，对周期性闭环合束系统的合束效果进行了验证。实验结果表明：在长时间的工作过程中，两路 均实现了与基准光路的精密合束，合束指向精度优于±7 μrad，位置精度优于±0.84 mm。本研究所组建的 合束系统不仅具有合束精度高、校正速度快、光路扩展性强的优势，而且可实现 束的周期性闭环校正，能够有效保证合束 的长期工作稳定性。

设计了一种用于甲烷和氢气同时检测的基于表面等离子体共振(SPR)的新型光子准晶体光纤(PQF)传感器。在该传感器中，在银膜上分别沉积Pd-WO₃和掺杂聚硅氧烷的笼型分子E薄膜作为氢气和甲烷的敏感材料。采用全矢量有限元方法对PQF-SPR传感器进行了数值分析，证明了该传感器具有良好的传感性能。在0% ~ 3.5%的浓度范围内，氢气的最大检测灵敏度和平均灵敏度分别为0.8 nm/%和0.65 nm/%，甲烷的最大灵敏度和平均灵敏度分别为10 nm/%和8.81 nm/%。该传感器具有同时检测多种气体的能力，在设备小型化和远程监测方面具有很大的潜力。