照明系统是增强现实光学系统的重要组成部分，其体积、照度均匀性、能量利用率直接影响增强现实照明系统的质量，因此在照明系统中对光源二次配光非常重要。针对增强现实系统的自由曲面透镜形式和照明系统开展研究，重点分析准直系统集光角度与体积的对应关系，在对光源准直系统的面型构建详细分析基础上，对中心透射边缘反射的折反射式准直系统的面型进行求解，结合偏微分方程法和划分网格法，设计了自由曲面透镜，该系统与偏振分光棱镜共同组成硅基液晶（liquid crystal on silicon，LCoS）照明系统。仿真分析结果表明：系统照度均匀性达到91.96%，若不计偏振影响，照明系统光学效率达到66.6%。该系统具有结构简单紧凑、体积小、质量轻、照度均匀性高等特点，满足增强现实眼镜的需求。

随着激光雷达技术的发展和测距精度需求的提高，对发射和接收光学系统提出了新的要求，需具有光束可调节、测量光斑小、回波效率高等特性。设计一种工作于1 550 nm光通信波段的收发一体光学系统，发射与接收模块共用部分光路，以减小接收视野盲区，同时有利于结构小型化。为解决不同测量距离、不同表面倾角造成的回波能量差异问题，将光学系统的扩束组件设计成放大倍率为2^×～3.5^×的连续可调结构；使用两组双胶合透镜进行色差校正，以降低光谱宽度对系统传播距离的影响。经设计优化，系统准直后的激光发散角小于0.3 mrad，出射光斑直径在6.26 mm～10.20 mm连续可调，对于50 m内的测量目标，照射光斑直径均小于20 mm，且在不同变焦位置发散角和光斑直径均满足设计要求。

数字微镜阵列（DMD）作为空间调制元件常用于投影光学系统，入射光为长波红外时产生的衍射效应会影响进入系统的能量分布，该文主要讨论光源入射角度对衍射效应的影响，将DMD作为闪耀光栅模型，研究其在长波红外波段产生的衍射效应。从光程差的角度分析在主、副对角线分别处于“开态”情况下的衍射效应，发现衍射效应与入射角度有关；将DMD作为闪耀光栅模型，采用矢量衍射理论计算7.7 μm～9.5 μm波段下DMD处于“开态”下的衍射效率。计算结果表明：当TM偏振光以44°角照射时，1级衍射达到闪耀状态，衍射效率可达到70%。

根据非球面离轴两反光学系统的结构特征，利用初级像差理论对其成像特性进行分析，结合不同非球面的面形特征，推导了离轴系统像差的矢量表达式，利用赛德尔系数将系统的初级波像差进行展开，并具体计算了不同非球面面形组合下的系统像差值。确定了离轴两反结构的评价指标后，对不同面形组合的成像质量进行了比较。利用定量比较结果对最优面形选择方法进行分析，结果表明：相比其他镜面组合方式，离轴双抛物面系统的球差、彗差、像散均为0，波前RMS远优于λ/14(λ=0.587 6 μm)，斯托列尔比大于0.8。根据计算结果可知，离轴双抛物面系统结构不仅具有更强的多种初级像差的抑制能力，而且还能有效压缩系统的体积。

光子集成干涉成像系统体积小、重量轻、功耗小，且系统分辨率不受单个透镜口径尺寸的限制，是一种新兴的成像技术。针对光子集成干涉成像系统图像复原问题，开展了图像复原技术和微透镜阵列最优排布研究，提出了基于压缩感知的光子集成干涉成像图像恢复技术，以及基于图像残差的最优微透镜阵列排布设计评估方法；通过计算仿真，可实现在有限空间体积限制下微透镜阵列最优设计，在干涉臂数量为75条，每条干涉臂上有38个微透镜时系统成像质量最佳。仿真结果表明：基于压缩感知算法的图像重构方法使系统RMSE（root mean squared error）降低了近90%，PSNR（peak signal to noise ratio）显著提高，图像复原的质量大幅度提升，并且在采用该算法的基础上对一定口径内微透镜排布方式对成像质量的影响进行了定量分析。

基于观察瞄准镜系统中胶合目镜对滤光片的使用需求，设计了一种用于瞄准镜光学系统的截止滤光片，消除了滤光片的半波孔，压缩了通带波纹。采用电子束热蒸发技术制备了滤光片并测试其透过率，在400 nm～630 nm的平均透过率为95.76%，在655 nm～800 nm的平均透过率为0.06%，样片通过了盐雾测试和机械牢固度测试，制备结果满足设计需求。

针对概率成型双偏振64-正交幅度调制相干光传输系统，实验研究了可重构光分插复用器（reconfigurable optical add-drop multiplexer，ROADM）级联引起的带宽变窄对系统比特级可实现信息速率（bit-wise achievable information rate，BW AIR）的影响。发射端采用基于麦克斯韦玻尔兹曼分布的3个概率成型分布信号。实验装置包括概率成型符号序列的产生、模拟ROADM级联引起整体频率响应带宽变窄的可变带宽光滤波器、简化检测和BW AIR计算。结果表明：对于不同的星座熵，带宽变窄的影响是相似的；对于给定光信噪比，产生最大BW AIR的星座熵取决于ROADM级联导致带宽变窄的程度。通过选择合适的概率成型星座分布，系统可获得最大化BW AIR。

针对空中加油试飞中加油对接困难的问题，设计了一种基于影像实时处理的加油对接段辅助对准系统，通过影像测量技术计算受油头与加油锥套中心的精确相对位置，实现位置参数与视频画面实时同步显示，用于空中加受油对接辅助对准。并对复杂光学条件下锥套跟踪技术、基于约束的像机标定技术和加受油组件相对位置实时测量等关键技术进行研究。实验结果表明，该算法可实现空中复杂环境下锥套图像快速、稳定识别与跟踪；采用双目视觉前方交会测量实时计算加油锥套与受油头相对位置，与事后处理结果对比分析，精度优于0.1 m，可辅助飞行员进行空中加油对接操作，提高加受油对接成功率。

Bayer阵列被广泛地应用于CMOS/CCD (complementary metal oxide semiconductor/charge-coupled device)等前端传感器中，用以对彩色图像进行压缩编码。通过解马赛克算法将Bayer阵列还原为红、绿、蓝彩色阵列，算法性能影响着成像有效分辨率和纹理细节。随着半导体工艺的发展和目标识别等新型应用需求的提出，图像设备向着高分辨率、低延迟的方向发展，原有的解马塞克算法遇到性能瓶颈。提出了一种基于FPGA (field programmable gate array)的实时解马赛克算法，能够准确地提取图像局部梯度方向并以引导实现色彩的插值复原，整体算法仅需7行数据延迟。算法设计充分考虑FPGA的硬件特点，设计了行缓存、梯度算子、梯度方向插值等模块，降低硬件开销。实验表明，本文算法在实现微米级延迟的同时，保持了对图像纹理细节区域的复原效果，在柯达数据集上的平均峰值信噪比达到38.26 dB。

随着车辆数量的急剧增加，带来了一系列管理问题，智能交通系统是一种有效的解决方式。由于传统的目标识别方式受天气、距离、角度、光照等因素的影响较大，且基于原YOLOv4算法的驾驶员面部、手部等信息检测的准确率不高，提出一种基于优化YOLOv4算法的检测定位方法。在给原YOLOv4网络增加一个更小的检测尺度的同时，使用模糊ISODATA动态聚类算法对先验框数目进行优化，并使用真实十字路口数据集进行实验。实验证明，优化后的网络在训练集中的类间平均准确率为98.56%，检测帧频为41.43 帧/s，均高于原网络。

计算机视觉方法越来越多地应用于斑马鱼的群体行为研究；但是，由于斑马鱼游动过程形体变化大，遮挡多，准确与鲁棒地检测出斑马鱼仍然是一件非常具有挑战性的问题。为了解决该问题，提出一种基于斑马鱼图像特征的鱼群检测算法。首先通过分析目标特性，提出使用鱼头和鱼尾替代全鱼的检测方法，解决了传统整鱼检测在鱼群交叉遮挡时失效的难题；然后基于斑马鱼图像特征自动构建训练集，避免了深度学习手动标注的费时费力问题。通过对实际斑马鱼视频进行处理验证，与现有的算法相比，本文提出的方法在标注率、召回率(recall, R)与遮挡检测率(occlusion detection rate, ODR)等性能指标上有更好的实验效果。其中，在标注性能方面，本文提出的自动标注方法在总标注率上达到87.40%；在训练集效果方面，本文自动标注算法结合人工校正在标注时间上相比于人工标注方法减少93.11%，均值平均精度(mean average precision, mAP)达到79.80% ；在目标检测方面，在目标遮挡率为42.72%的情况下，本文检测算法能够获得82.0%的召回率及58.02%的遮挡检测率。

实际场景中运动物体的特征点加入到相机位姿计算中，以及静态环境特征点过度稀疏都会导致移动机器人传统视觉同步定位与地图构建（simultaneous localization and mapping, SLAM）算法在位姿估计时精度低、鲁棒性差。设计了基于分支空洞卷积的双边语义分割算法，将环境区分为潜在运动区域和静态区域；结合几何约束进行静态特征点的二次判断及对没有先验动态标记而具有移动性的特征点的判断，并在事先均匀提取的全部特征点中进行移除，只应用静态特征点求解相机位姿和构建静态环境地图。在TUM公共数据集上进行实验，验证了提出算法在动态环境中SLAM的定位精度明显优于现有其他方法。在存在运动物体的真实环境下进行建图实验，与ORB-SLAM2算法进行对比，本文算法在动态场景中构建的地图更清晰。

为了解决激光诱导荧光检测系统存在的光学结构复杂、体积大、成本高以及灵敏度不足等主要问题，研制了一种高灵敏、小型化的荧光光谱仪。该光谱仪以349 nm半导体激光器作为激发光源，采用正交型光路，将4×4窄带滤光片阵列与具有单光子灵敏度的硅光电倍增器（SiPM）阵列耦合，可实现光谱信息的多通道探测，具备结构紧凑、成本较低以及稳定性好等优点。以荧光素钠为测试样品，对光谱仪性能进行了评估。实验结果表明，光谱仪的检测限优于5×10⁻¹¹ mol·L⁻¹，在5×10⁻¹¹ mol·L⁻¹到1×10⁻⁹ mol·L⁻¹的溶液浓度范围内，被测溶液浓度与检测所得荧光强度满足良好的线性关系，线性相关系数为0.998 39。此外，光谱仪还具备良好的重复性，荧光峰值强度的相对标准偏差小于10%。因此，该光谱仪兼具灵敏度高、线性度好、重复性与可靠性强等优点，可以满足现场实时检测的需求。

应力检测对光学元件的制造和使用意义重大。基于应力双折射原理，提出了一种利用偏振相机测量应力分布的方法。根据Stokes矩阵和Mueller矩阵推导出应力值及应力方向计算公式，并对影响系统测量精度的主要误差进行了理论分析。为验证方法的可行性，搭建了一台测量应力分布的装置。使用该装置测量一块633 nm的四分之一波片，测得其误差为0.86 nm。进一步测量，得出一块车灯透镜的全场应力相位延迟量与应力方向图，利用所测相位延迟量计算出透镜中心区域的应力双折射值为9.21 nm/mm、主应力差为2.45 MPa；利用符号规则调整了透镜的应力方向，结果符合应力连续性原则。该方法测量应力分布时无需旋动光学元件，可实现应力延迟量及应力方向的实时测量。

3D扫描仪以精度高、速度快、自动处理、稳定性好等优势在场景三维重建、智能制造、自动驾驶、虚拟现实等领域得到了广泛的应用。目前3D扫描仪设备多是安装在三脚架上，容易因为地面不平使得扫描仪的转轴和重力方向产生夹角，最终导致拍摄出的全景图和点云倾斜，成为影响三维重建精度的关键难题。针对该问题，提出一种借助惯性测量单元标定3D扫描仪倾角的方法。该方法利用惯性测量单元输出的加速度信息，通过一个面阵相机建立惯性测量单元和3D扫描仪的联系，将惯性测量单元的加速度信息转到扫描仪的转轴上。利用该信息计算出扫描仪转轴与重力方向的夹角，并将该倾角补偿到生成的全景图和点云中，校正倾斜模型。通过实验对校正前后计算的角度进行对比，实验结果证明倾角测量误差可以控制在0.5°以内。并且经过标定后，精度至少提升20%，验证了整个标定方法的可靠性和准确性。

针对目前微观三维表面形貌测量技术中存在检测效率和测量范围较小的问题，提出一种基于双线阵相机的线扫描差动共聚焦三维形貌测量方法。采用线扫描光源，利用线扫描拼接算法，分别合成焦前和焦后图像；再利用差动算法获得样本位于测量区域的差动图像，结合预先刻度的轴向响应曲线，完成样本的三维形貌还原，实现大范围高效测量。实验结果证明：基于双线阵相机的线扫描差动共聚焦三维形貌测量方法在相同时间内测量范围和测量效率分别是白光干涉仪的16.48倍和6.59倍，并且该方法在测量过程中不需要停顿，只需实现一次对焦，就可以对样品进行连续不间断的扫描检测。研究成果为满足智能制造中在线在位、实时高效、大范围测量的检测需求提供依据。

相移轮廓术是一种广泛使用的光学三维测量方法，其精度不仅受相位展开算法本身的影响，也受测量系统中投影仪和摄像机的非线性影响。理论上，投射更多的相移条纹可减弱非线性误差的影响，但是增加了测量时间。为了提高误差校正的效率，提出了一种基于梯形正弦相移的测量方法。该方法需要两组改进的梯形相移条纹和一幅正弦条纹。梯形条纹提供图像强度信息和条纹级次信息，图像强度信息用来求取系统的非线性响应曲线，进一步消除系统的非线性。正弦条纹经过希尔伯特变换可求得额外的条纹图像，用来计算截断相位信息。经过校正的截断相位信息，可进一步获取精度较高的三维信息。相较于先前的梯形与正弦误差校正方法，该方法的测量效率提高了28%。

通过研制真空多光路切换组件，结合Y型真空比较通道、探测器真空舱，在保证超高真空环境的前提下，实现激光、紫外连续可调单色光以及真空紫外单色光3个光路的快速切换，从而以低温辐射计为基准,以紫外增强硅陷阱探测器为传递标准,实现波长115 nm～400 nm紫外探测器绝对光谱响应度的测量，实验验证绝对光谱响应度测量不确定度在115 nm～230 nm可达到0.8%～1.5% (k=2)，在230 nm～400 nm可达到0.5%～1.0% (k=2)。

红外探测器的性能受内部结构各层掺杂浓度的影响，而倍增层掺杂浓度会明显改变器件的性能。为了降低暗电流，提高器件性能，采用三元化合物In_0.83Al_0.17As作为倍增层材料，借助仿真软件Silvaco详细研究了In_0.83Al_0.17As/In_0.83Ga_0.17As红外探测器的倍增层掺杂浓度对器件电场强度、电流特性和光响应度的影响规律。结果表明，随着倍增层掺杂浓度的增加，器件倍增层内的电场强度峰值增加，同时，器件的暗电流与光响应度减小。进一步研究发现，当倍增层掺杂浓度为2×10¹⁶ cm⁻³时，器件获得最优性能，暗电流密度为0.621 44 A/cm²，在波长为1.5 μm时，光响应度和比探测率分别为0.954 4 A/W和1.947 5×10⁹ cmHz^1/2W⁻¹。

为了满足基于低温辐射计的115 nm～400 nm波段探测器绝对光谱响应度高精度标定的需求，研制了一种由斩波片、转轴、伺服电机、U型光电开关、降温组件、支架和控制电路等组成的适用于真空环境的光学斩波器，使其在真空低温环境下将微弱的真空紫外-紫外辐射信号调制为频率已知的交变辐射信号，并由锁相放大器进行测量。实验结果表明，该光学斩波器的频率在80 Hz时的稳定性为±0.05 Hz，满足115 nm～400 nm波段探测器绝对光谱响应度标定对斩波器在10⁻⁴ Pa的真空环境下的使用要求。

空间目标容易受到太空垃圾碰撞及干扰从而产生抖动。针对空间抖动目标红外图像的模型构建问题，对天基空间红外成像系统的主要噪声进行分析并考虑杂散光影响，基于Creator与Vega软件平台相结合，提出抖动状态下空间目标表面缺陷的红外图像的建模方法。依据空间目标基本特征分析其红外辐射特性，在Creator中对空间目标缺陷进行三维建模；根据目标以及背景红外辐射特性对三维模型进行温度场分析，将分析所得结果与Vega红外模块相结合获得红外图像模型；确定抖动图像数学模型并对仿真图像施加抖动影响，然后施加杂散光影响获得最终模拟图像。实验结果表明：该方法生成的抖动状态下空间目标红外图像与实验图像相似程度高，能为空间目标探测与态势感知提供一种有效的模拟系统。

光束指向稳定性是高能激光应用研究中的一项关键指标，光束指向稳定性的检测是高能激光系统性能实现的重要环节。以长焦距聚焦反射镜与高分辨率CCD (charge coupled device) 为主要元件，构建高精度的光束指向检测装置。采用灰度重心法定位光斑中心，并以理想光斑与实测光斑为例进行验证，误差小于1个像元。利用CCD高频采样，统计单位时间内光斑中心位移，获得光束指向稳定性指标，检测实例精度可达1.25 μrad。该方法简便易行，测量精度高，适用于各种波长的激光光束指向检测以及其他相关参数的测量。

采用改进后的图像相关度计算方法，在精确配准干扰前后图像的基础上，以像素为单位计算图像相关度，根据人眼识别效果在评估前确定干扰阈值，计算图像有效干扰像元统计值，定量描述激光干扰效果；开展多波段激光干扰成像系统试验，采集不同干扰功率下的激光干扰图像，评估干扰效果。结果表明，该方法能精确识别图像局部变化，客观反映图像质量变化，对各波段不同功率下的激光干扰成像图像给出科学评估结果，对单对图像的处理速度优于s级，具有一定的工程应用价值。

为有效清除汉白玉石质文物表面油漆，在利用面积外推法和激光诱导等离子体光谱法（laser-induced plasma spectroscopy, LIPS）获取金色、银色油漆层和汉白玉三种物质表面的烧蚀阈值功率的基础上，确定了在不损伤汉白玉基底前提下清除油漆的最佳激光功率。利用图像法研究了激光清洗10 mm×10 mm汉白玉表面金色、银色油漆的清洗度以及清洗速率变化趋势，获取最佳激光光斑搭接率和最佳清洗次数。采用图像法对激光清洗汉白玉表面油漆层的清洗效果进行评估。93%以上的清洗度表明，面积外推法、LIPS法和图像法的协同使用可有效提高汉白玉表面油漆层的激光清洗效率。