为了提高光电探测设备目标探测与识别的能力，设计了一套可见/中波双波段共口径光学系统。根据实际工程经验总结了一套分段设计、组合优化的光学设计方法，通过合理地分配光焦度，分段选择合适的初始结构，再现了双波段共口径光学系统初始结构的设计过程；结合CodeV和TracePro软件量化了制冷型中波红外探测系统的冷反射现象，并且通过外场试验成像验证了分析结论的正确性。双波段共口径光学系统最大视场达到1.25°，畸变小于0.1%，可以在环境温度−30 ℃～50 ℃下工作，中波红外探测系统实现了100%冷光阑匹配，可见光探测系统可以实现大、小视场的切换，双波段成像系统具有调焦、调光功能。该系统成像质量良好、可加工性好、装配难度小、工程可实施性强。

利用锁相热像方法定量测量了光学镀膜的吸收率。待测薄膜吸收周期调制的激光能量，在表面形成热波，将红外相机记录的热分布信号进行锁相相关处理，获得信噪比提高的热图像。采用标准吸收样品对系统进行定标，可获得光热信号幅度与样品吸收率之间的定量联系，进而在相同实验条件下测量待测样品，可通过光热信号直接计算获得其绝对吸收率。在1 060 nm波长处开展了实验研究，测量获得了不同厚度Nb₂O₅镀膜的吸收率数值，实测的吸收可达80 ppm。

拼接式主镜的设计使超大口径望远镜的构想成为现实。为了研究拼接式望远镜的成像性能，精确分析和量化了拼接式主镜构型、平移误差、倾斜误差对衍射效应的影响，从拼接式光学系统的成像原理出发，基于齐次坐标变换建立了拼接式主镜的光瞳模型，并仿真分析了拼接主镜构型对衍射效应的影响。分析结果表明：对于不同构型的拼接主镜，其衍射效应受拼接主镜的填充因子和孔径间隔共同影响，填充因子越高，孔径间隔越小，系统成像质量越好。以典型的拼接主镜构型为例，分别仿真分析了单个子镜平移误差、倾斜误差和拼接主镜整体平移误差、倾斜误差对衍射效应的影响。分析结果表明：对于单个子镜，平移误差对远场衍射的影响具有周期性；对于拼接主镜整体，当子镜piston误差的均方根值小于0.039λ时，斯特列尔比大于0.95；当子镜tip-tilt误差的均方根值小于0.036λ时，斯特列尔比大于0.95。分析结果为拼接式望远镜的成像性能分析、主镜的构型设计、平移误差和倾斜误差的检测与调整等提供了依据。

由于全景环带光学系统的头部单元结构形式复杂，内部光路经过多次反射与折射，杂散光情况比较严重，因此全景环带光学系统设计过程中对杂散光的分析尤为重要。文中着重分析全景环带光学系统头部单元中产生杂散光的形式，对未经全景环带光学系统头部单元反射的杂散光建立消杂光数学模型，在此基础上对全景环带光学系统行了优化设计；对全景环带光学系统中头部单元胶合面反射的杂散光采用一种凸向像面的弯月胶合镜的形式进行抑制，并通过ASAP软件建模仿真。仿真结果显示，杂散光能量降低90%，证明采用的结构形式和消杂光数学模型有效地抑制了杂散光的产生。

空间外差光谱仪是一种新式的超高分辨率光谱仪，可用于大气监测、卫星遥感等领域。为了减少空间外差光谱信号中的噪声，提出基于提升小波变换结合中值滤波方法来实现信号的降噪。改进的提升小波变换融合了一种双因子的阈值函数、分层阈值选取。与小波变换的软、硬阈值对比发现，它能提取空间外差光谱，减小峰宽和保留重要的细节特征，降噪效果优于小波变换的软、硬阈值法。最后用信噪比和均方误差两项定量指标来衡量算法的效果。实验结果表明：该算法比软阈值法在处理氙灯和积分球时信噪比提高了24.6%和31%，均方误差减少了43.2%和51.5%；与硬阈值法相比信噪比提高了21.5%和30.6%，均方误差减少了40.2%和51.2%。因此，算法在空间外差光谱降噪方面具有可行性。

蓝光半导体激光器激发荧光粉产生白光光源技术发展迅速，但由于大功率蓝光半导体激光器在快轴、慢轴方向的光场分布差别较大，使得日前激光照明整体光学性能仍旧较差，难以实现大规模推广应用。针对该问题，设计了一款高质量激光照明光学系统，基于蒙特卡洛光线追踪理论，对激光光束进行准直调控、均匀光斑整形以及对荧光片进行设计，使得整体光源模块各元件得到最佳整合，最终实现了窄光束激光照明。仿真结果表明：激光光源的光收集率达98.3%，激光光斑的不均匀度为1.7%，白光均匀度为98%，光斑是出射准直角为1.6°的方形窄光束白光光斑。

针对莫尔条纹测量扭转变形方案，分析了双光栅在光学系统存在焦距误差时对扭转角测量精度的影响。通过在传统的莫尔条纹测量扭转角理论公式的基础上引入焦距对于光栅像的缩放效应，推导出含有焦距因子的扭转角测量模型。由模型可知,随着光学系统焦距差异的增大，对应的扭转角也会随之发生较大变化。特别当光栅夹角在小角度范围（1°～3°）内变化时尤为明显，最终影响到扭转变形的测量精度。在设计的实验中，利用2个已知焦距的光学系统，通过采集莫尔条纹图像进行扭转角精度分析，验证了该文提出的理论。

光场数据重聚焦包括空间域重聚焦和频域重聚焦两种方法，在重聚焦过程中均需要进行插值计算，重聚焦精度与插值精度密切相关，而插值算法的复杂度会影响计算效率。在实际大量图像处理中，在重聚焦效果满足精度要求的前提下选择计算效率最高的方法，其中，插值精度对频域影响远大于空间域。介绍了空间域重聚焦和频域重聚焦的原理，以及传统3种插值方法和sinc函数插值法，分别用不同的插值方法对这两种重聚焦方法进行实验，比较其重聚焦效果并计算其效率。实验结果表明，在实际应用中为了满足计算效率的需求，在满足精度要求情况下，空间域重聚焦采用线性插值法最佳，频域采用采样半径为2像素的sinc插值最佳。对同一幅影像多次重聚焦时，频域方法优于空间域方法。

深度估计是传统的计算机视觉任务，在理解三维场景中起着至关重要的作用。基于单目图像的深度估计任务的困难在于如何提取图像特征中大范围依赖的上下文信息，提出了自适应的上下文聚合网络（adaptive context aggregation network，ACANet）用于解决该问题。该方法基于有监督的自注意力模型(supervised self-attention，SSA)，能够自适应地学习任意像素之间的具有任务特性的相似性以模拟连续的上下文信息，并通过模型学习的注意力权重分布用来聚合提取的图像特征。将单目深度估计任务设计为像素级的多分类问题，经过设计的注意力损失函数减少RGB图像和深度图的语义不一致性，通过生成的像素级注意力权重对由位置索引的特征进行全局池化。最后提出一种软性有序推理算法（soft ordinal inference，SOI），充分利用网络的预测置信度，将离散的深度标签转化为平滑连续的深度图，并且提高了准确率（rmse下降了3%）。在公开的单目深度估计基准数据集NYU Depth V2上的实验结果表明：rmse指标为0.490，阈值指标为82.8%，取得了较好的结果，证明了本文提出的算法的优越性。

为更好地保留原图像信息，提高图像融合性能，提出一种改进VGG卷积神经网络与边缘像素统计特征相结合的融合算法。首先，该算法将完整图像拆分成图像块，以图像块的预处理来获取较高的图像分类，精度达到0.985以上，以改进的VGG卷积神经网络来加快模型收敛速度，当图像块输入到网络当中，可以初步得到二分类的权值矩阵。其次，在高频细节部分，对于左聚焦图像和右聚焦图像的清晰模糊模块分别进行模糊化处理，根据像素点之间的统计特征经阈值分割后得到有明显边界的权值矩阵。最后，结合两次分割的权值矩阵，通过加权求和的融合策略，得到处处清晰的聚焦图像。为说明算法有效性，在实验部分展示其融合主观视觉效果图与信息熵等客观评价，该算法对比其他算法表现突出，可较好地保留原图像的信息。

针对光照不均、多种复杂背景并存的工况下，采用传统阈值分割方法难以有效将露筋与背景分开的问题，提出了基于局部图像分割与多特征滤波的自适应桥梁露筋检测算法。首先，将灰度图像的灰度值进行投影并寻找露筋在投影图上形成的波谷及其坐标；其次，以波谷坐标为中心设置分割范围对灰度图进行行和列的分块，然后对合并行和列分块的灰度图像进行局部阈值分割；最后，基于多特征滤波实现露筋特征的提取。采用该算法对7种常见的露筋进行验证。实验表明：该方法的平均误检率、漏检率和与人工测量的露筋长度相对误差分别为5.15%、3.89%和3.74%，误差符合公路病害评定标准，实现了复杂环境下露筋的自适应识别。

针对目前辊式涂布涂层厚度检测效率低、准确率低等问题，提出一种基于启发式蚁群算法的辊式涂布涂层厚度机器视觉检测方法。采用Canny算子的原理提取出边缘信息，得到了边缘点的先验知识；然后建立了改进的蚁群算法的边缘追踪模型，实现了信息素和启发信息对蚂蚁的导向作用，同时较好地避免了蚂蚁在非边缘区域的分布和行走，解决了传统蚁群算法中随机性与正反馈两种机制的协调问题，使用改进蚁群算法的机器视觉法进行测量实验，与机理建模法对比最大误差为5.74%，平均误差为4.04%，满足实际生产需要。

为了更好地研究光束在大气湍流中的传播特性，提出了基于稀疏谱模型的湍流相位屏模拟方法，对生成相位屏的灰度图、结构函数和光束漂移量进行了研究分析。首先采用数学方法分析光波的方向、大小和振幅，并由此得到稀疏谱相位屏；然后分别在不同相干半径下，与功率谱反演法生成的相位屏灰度图进行对比，并分析稀疏谱模型下的结构函数和光斑位置拟合度。仿真和实验测试结果表明，实验结构函数的平均误差为6.1%，该模拟方法下的相位屏细节信息更为丰富，大气湍流光斑质心的均方根误差为1.013×10⁻⁷ m，具有精度高、运行速度快、模拟周期长等优点，能够较好地模拟真实大气湍流。

为有效地对焊缝缺陷进行分类，从而判断焊接质量的等级，对传统卷积神经网络进行改进，提出一种多尺度压缩激励网络模型（SINet）。将4组两两串联的3×3卷积模块与Inception模块、压缩激励模块（SE block）相结合。通过多尺度压缩激励模块（SI module）将卷积层中的特征进行多尺度融合和特征重标定以提高分类准确率，并用全局平均池化层代替全连接层减少模型参数。此外考虑到焊接缺陷数量不平衡对准确率的影响，采用深度卷积对抗生成网络（DCGAN）进行数据集的平衡处理，并在该数据集上验证模型的有效性。与传统卷积神经网络相比，该模型具有良好的性能，在测试集上准确率达到96.77%，同时模型的参数个数也明显减少。结果表明该方法对焊缝缺陷图像能进行有效地分类。

针对汽车刹车片表面纹理情况不一、种类繁多的问题，提出一种基于机器视觉的刹车片表面缺陷图像检测方法，该方法结合了灰度共生矩阵与密度聚类。首先提取刹车片的摩擦面，然后确定灰度共生矩阵的构造因子的选取，利用线性相关性选择特征参数。将每个摩擦面切分成若干小窗口，计算各个小窗口的特征值构造特征数据集，通过自适应密度聚类算法进行聚类分析，从而进一步判断是否存在缺陷区域。通过对58块不同型号的刹车片样本进行检测结果统计分析，实验表明，该方法误检率为8%，漏检率为6%，具有较高的检测精度，因此，该方法能够较好地检测刹车片样本是否存在缺陷，具有广泛的适用性。

紫外像增强器是紫外探测系统的核心器件，是一种电真空成像器件，可将微弱的紫外光图像转换并增强为肉眼可见、亮度可见的光图像，其研制与应用是微光夜视技术的重要发展方向。辐射灵敏度是评价紫外像增强器的重要参数，直接决定了紫外探测系统的性能。介绍了紫外像增强器辐射灵敏度的测量原理，采用紫外辐射光源、光栅单色仪系统、测试暗箱、微电流计、计算机及测量软件组建了辐射灵敏度测量系统。对3只紫外像增强器在260 nm、280 nm及320 nm波长下的辐射灵敏度进行了测量，并分析了其测量不确定度。该测量系统的建立，将辐射灵敏度测量系统的光谱范围拓展至200 nm～400 nm，弥补了现有系统的不足，具有广泛的应用前景。

介绍了一种基于计算机视觉检测光学镜片外观瑕疵的方法。该方法主要针对麻点、划痕、毛刺和破边等瑕疵，并根据瑕疵在侧面光源作用下发生漫反射，产生亮光斑或亮光带的原理，开发了基于反射检测法的瑕疵检测装置，检测装置的工作节拍不超过5 s/片。创新使用了黑体作为暗背景，提高了瑕疵的对比度。视觉检测中利用了总面积检测法来检测镜片表面的麻点和划痕，利用边缘毛刺检测法来检测镜片边缘的毛刺和破边。在试验中检测了53块直径10 mm的镜片，准确率达到100%。最后给出了基于31万像素CCD的检测结果，其中OK镜片总瑕疵量≤100 pixel，最高灰度值≤80，麻点和划痕镜片的总瑕疵量介于200 pixel～600 pixel之间，最高灰度值≤210，毛刺/破边镜片总瑕疵量≤100 pixel，最高灰度值介于200～255之间，可见麻点镜片和划痕镜片的总瑕疵量明显比毛刺/破边镜片和OK镜片高。

为了准确地测量轴锥透镜锥角值，根据无衍射光同心圆环间距不随距离改变的特点和莫尔条纹放大的特性，提出了一种基于无衍射光莫尔条纹的轴锥透镜锥角的测量方法。当无衍射光束经分束器分光合束后形成莫尔条纹，平移其中一束光在图像传感器上的位置，实现莫尔条纹数量的变化，通过记录不同莫尔条纹下的中心距离计算出轴锥透镜锥角。实验以锥角为0.5°的轴锥透镜作为被测对象，与CMM测量结果进行比较，该文提出的方法相对测量误差近似为0.54%，重复性为0.86″，验证了该文方法测量轴锥透镜锥角的可行性。

针对狭长区域模块间存在视野遮挡、对接区域尺寸微小等问题，提出了一种多传感器组合位姿测量方法。该方法采用了布置在模块前后的轮廓仪与激光位移传感器联合获取模块上特征平面点云数据，利用平面拟合与空间几何投影的方法解算出章动角的旋转与位置的平移偏差，结合固定在目标上倾角仪提供的水平角信息解算出进动角与自转角的旋转偏差，研制了自动对接平台样机，实现了对接区域相对位姿的间接测量。实验结果表明，系统的位置与姿态测量精度分别优于40 μm、0.02°，且测量稳定性与效益较人工测量有明显提高，证明了所提方法的有效性，满足对设备模块间的高精度位姿测量需求。

昆虫（螳螂）复眼利用目标的动态差异实现立体视觉，具有视场大、计算简单、实时性高等特点，是立体视觉研究的新方向。为实现复眼立体视觉在机器人视觉导航中的应用，根据复眼结构以及信息处理机制，提出并研究了环形光电传感器的目标快速检测与定位方法。首先，搭建了基于60个光电二极管的等6°夹角分布式环形传感器，形成具有360°视场的环形仿生复眼；其次，建立了基于光流原理的运动目标方位角检测模型，采用傅里叶拟合法实现了方位角检测模型的优化，实现了运动目标方位角与目标距离大视野范围内的简单、快速检测。实验结果表明：1）可实现距离375 mm范围内运动速度为30 mm/s的目标方位角实时检测，测量误差在2°范围内；2）基于目标方位角检测模型，可实现双目阵列传感器在300 mm×375 mm视野重叠区域范围内、平均测量误差在10 mm范围内的立体视觉测距。基于光流的运动目标方位角检测模型可用于实现对运动目标空间位置的动态实时检测，在运动检测、视觉导航等领域具有广泛的应用前景。

针对目前实际系统中，由于噪声的存在，单频光栅逐点解相时无法获得全场相位值，导致对廓形复杂、体积小物体的重建精度低，提出多频结构光栅投影实现体积较小、形貌复杂物体的高精度重建。系统算法基于随时间序列变化改进的四步相移法对多频光栅进行解相，多频光栅解相是对每种频率的光栅单独展开相位，每种频率的光栅解相是逐点进行的，单频光栅中因噪声得到不连续的相位可通过其他频率光栅拟合修补，得到一个全场范围内连续的相位。经实验单频结构光测量体积小、形貌复杂物体的误差范围为0.1 mm～0.5 mm，而文中所提出方法精度达到了0.03 mm～0.05 mm，该方法精度提高了10倍左右。

目前辐亮度计的光谱辐射响应函数采用辐照度标准灯和漫反射白板的方法进行校准，无法实现大动态范围内的线性校准。提出了一种高精度、亮度可调积分球光源，利用固定光阑和可变光阑控制输出辐射亮度，动态范围达到4个数量级；通过对遮光筒式辐亮度计的光谱响应函数进行测试，实验结果表明:遮光筒式辐亮度计的光谱响应函数具有很好的线性特性，且重复性高，一次项系数的标准差为2.78E-17。

基于微纳结构对光波调控实现聚焦与成像的超透镜是目前国际上竞相发展的前沿技术。本文针对目前已报道的近红外超透镜偏振相关、系统复杂以及透过率低等难题，提出了一种偏振无关的近红外超透镜。以低折射率材料SiO₂为基底，高折射率材料Si圆形柱为相位调控单元，设计波长为1.31 μm。利用时域有限差分方法分析了近红外超透镜构建单元的光波调控特性，构建了构建单元的相位延迟特性曲线，探究了构建单元周期对光波透过率的影响规律，实现了构建单元的优化设计，并基于波前重构方程，设计出偏振无关的近红外超透镜。数值仿真结果表明：相位调控单元的相位延迟与透过率不仅取决于Si圆形柱半径、高度，而且与单元周期密切相关；基于分析的构建单元光波调控特性，设计的近红外偏振无关超透镜焦距仿真值为19 μm，与设计值较好吻合，透镜透过率达到65%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻，而且为平面透镜，因此易于光学系统集成，在激光雷达、激光夜视等技术中展现出广阔的应用前景。

随着虚拟现实和体感游戏的兴起，人体姿态估计越来越受到关注。针对基于热释电红外传感器的人体姿态估计系统中的菲涅尔光学微结构透镜进行设计，在分析了锥形偶次非球面的理论公式后，计算得到各级非球面系数。通过仿真分析，当材料选为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），探测器采用6个敏感元面积为2×1 mm²、视场角为100°×100°的LHI968探测器时，得到菲涅尔透镜整体尺寸为28 mm×32 mm，前表面曲率半径为43.7 mm，后表面曲率半径为45.2 mm，中心厚度为0.6 mm。最终仿真结果显示，各探测器光能利用率分别为96.70%、94.8%、96.95%、97.75%、90.65%和90.15%，可以满足对人体不同部位红外光的响应，从而实现人体姿态的精确估计。

光场多光谱成像技术具有能够同时获取目标二维空间信息和光谱信息的能力，利用光谱信息可以实现目标的分类和识别。为了快速、便捷地获取空间目标的完整光谱信息，实现目标表面光谱信息的真实记录，基于光场多光谱成像原理，采用光谱分光滤光片阵列分光实现主透镜系统入瞳孔径的分割，设计了一款应用于光场多光谱相机的像方远心镜头光学系统。光学系统具有宽波段400 nm~1 000 nm，焦距为240 mm，F数为4，全视场15.52°。像质评价与系统公差分析结果表明：设计的光场多光谱相机的像方远心镜头可以满足实际加工以及正常使用要求。

激光扫描投影仪能够实现待装配零部件线框轮廓的精准位置投影，能够大幅度改善由传统装配方式所引起的精度差，效率低等问题。为了在自主研发的激光扫描投影系统中实现可直接读取IGES（初始化图形交互规范）格式的三维数模激光投影，研究了多特征图元提取和文件自动生成方法。该方法通过提取待投影线框图形的点、线、面等数据特征，以元胞的方式存储在.ply格式文档中，通过.ply文件对数控开关进行延时控制以及对二维振镜轨迹进行操控，实现更加智能化地控制激光扫描投影。应用12个IGES格式图元的投影实验验证，该方法可实现所有图元清晰投影且激光轮廓线宽优于0.3 mm，通过这种新型投影系统可提高车间装配生产效率，改善装配精度。

为实现光纤布拉格光栅（FBG）反射光谱信号的实时监测，基于全固态光谱模块设计了用于解调FBG信号的硬件系统和软件架构，编写了上位机软件，嵌入了不同的寻峰算法，可适用于不同噪声环境下中心波长的计算，以减少由算法带来的波长误差。软件还包括数据采集、存储及回放等功能。以高斯拟合寻峰算法为例，提出了一种不依赖硬件设备对寻峰算法进行模拟评测的方法，提高了这类光谱解调系统的开发效率。采用叠加了不同噪声水平的理想FBG反射谱进行模拟评测实验，结果表明，阈值取为噪声平均幅值的2倍时可获得最佳的寻峰结果，且寻峰误差与采集数据的信噪比（SNR）和光谱峰宽成反比。运用高斯拟合寻峰算法对硬件系统实际采集的FBG反射谱数据进行寻峰计算，所得系统精度为5.89 pm，与模拟评测结果的误差小于1.7 pm，验证了模拟评测的可行性。

可见光通信（VLC）系统通常采用多阵列光源布局方式来兼顾照明与通信双重功能，因此需要使用多输入多输出（MIMO）技术进行多天线协同传输来实现高速率通信。然而传统MIMO系统中采用平均功率分配来实现空间复用，无法充分体现MIMO多天线协调传输的优势。根据每组收发天线信道状态的差异，设计了一种低计算复杂度的快速迭代注水算法，可实现依据信道特征自适应的分配信息，从而提高系统的信道容量。仿真结果表明：在相同信噪比情况下注水算法自适应功率分配系统比等功率分配系统的信道容量提高了1.25 bit/Hz左右。

微纳光纤传感器将微纳加工与光纤传感技术有机结合，具有重大的科研意义和产业化潜力。现有加工方法无法达到任意复杂三维结构可制备化，从而限制了微纳光纤传感器的发展。介绍了一种新型微纳加工方法，该方法在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上实现微纳结构的制备，之后将薄膜连同微纳结构一同转移到光纤端面，在光纤端面实现人为定义三维立体微纳结构。通过在扫描电镜下对制备的样品进行检测，确认PDMS薄膜及其上三维结构可被无损转移至光纤端面。该方法具有易制备、低成本且可加工三维微纳结构的特点。

提出一种用于液体传感的光子晶体光纤的结构和设计方法。将六边形光子晶体光纤的纤芯区域设计成2个椭圆空气孔，分别填充水和乙醇，进而比较两种光子晶体光纤结构的传播特性。采用全矢量有限元法对所设计光子晶体光纤结构的双折射、相对灵敏度、限制损耗、非线性系数进行数值分析，对光纤各项参数的优化及纤芯椭圆结构参数进行调整，结果表明：当椭圆率为0.6时，纤芯填充乙醇的光子晶体光纤PCF2在波长1.55 nm处相对敏感度可达到72.506 7%，同时限制损耗可以降至10⁻⁸级。所设计的模型可用于传感和生物传感研究及应用。