为解决星模拟器在光谱模拟时存在的衍射问题，提出一种消除数字微镜设备衍射效应的方法。建立标量衍射模型，将数字微镜设备等效为二维闪耀光栅，以光栅衍射理论为基础寻找影响衍射能级的因素，并推导出入射角与衍射效应的耦合关系。当光束沿数字微镜设备对角线入射，高度角为24∘时，衍射效率达到最大化提高，衍射效率提高近12%，此时衍射损耗能量最少，数字微镜设备反射时存在衍射效应达到最小，通过ZEMAX优化设计出Czerny-Turner光学结构，校正系统像差。优化结果表明，在500~900 nm谱段内，光谱模拟精度优于5%，全谱段的光谱分辨率优于5 nm，可有效提升星敏感器地面标定精度。

利用数字全息显微技术对玻璃微加工中微结构的形貌进行了高精度测量，基于马赫-曾德离轴显微干涉系统记录微结构的数字全息图，用混合重建算法和行列扫描法解包裹提取高精度的相位分布，进而构建微结构的形貌，并计算了深度。对平凸球形微透镜进行了形貌仿真与测量，验证了该方法的可行性。用二氧化碳激光器对载玻片表面进行光刻微加工，定量分析了不同光刻参数对玻璃微结构的形貌及深度的影响，以及加工热影响区引起的重凝高度对加工质量的影响。结果表明，光刻深度随着激光功率的增大而增大，随着打标速度的减小而增大，Q频较小时深度较大。这有助于指导玻璃的精细加工。

针对传统的投影仪畸变标定方法系统结构和理论推导复杂等问题，提出一种基于相位标靶的投影仪畸变测量和校正方法。该方法以附有全息投影膜的液晶显示屏作为相位标靶，液晶显示屏依次显示水平和垂直方向的正弦条纹图像，投影仪向相位标靶依次投射水平和垂直方向的正弦条纹图像，并分别计算显示条纹和反射条纹的绝对相位。利用两组相位在相机像素上的对应关系，将投影仪投射相位转换到液晶显示屏相位坐标系中，从而测得投影仪的畸变。根据采集的相位空间关系进行畸变校正，使投影仪投射的等相位线在相位标靶上呈直线分布。实验结果证明，该方法可测量并校正投影仪的畸变，不受相机成像质量的影响，可为条纹投影三维形貌测量技术提升投影质量。

针对目前高精度光学系统光轴标定存在的误差问题，提出了一种基于等效节点理论对系统实际光轴进行标定的方法，通过建立基准坐标系、节点坐标系和探测器坐标系，结合齐次坐标变换的方法构建适用于实际系统光轴标定的数学模型。以焦距为100 mm，物方节点与像方节点之间的距离为20 mm的光学系统为例，基于小旋量理论对其光轴精度影响因素进行了分析与计算，结果表明平行光管、转台、与标定模型三方面引入的标定误差低于10''。为不同的光学系统基于等效节点理论进行光轴标定时的精度分析提供了方法与依据。

为了提高拼接式星模拟器的星图模拟精度，克服传统方法仅通过修正主距提高精度的局限性，提出了一种星图模拟精度的像差校正方法。分析拼接式星模拟器的工作原理和使用方法，优化小畸变平像场高成像质量准直光学系统像差，并根据像差设计结果，结合星点位置测量模型，分别建立畸变修正模型、彗差、场曲的修正模型。利用经纬仪、六维调整机构搭建星点位置精度测量装置，实测结果表明：基于像差理论的修正模型可有效提高拼接式星模拟器的星图精度，最大星点位置误差从48.78"降低至10.75"，满足了技术指标。

在线物体运动速度过快时会导致采集的变形条纹出现运动模糊，从而丢失相位信息。通过调节相机的图像采集模式可以提高相机的采集帧率，但势必会牺牲相机的分辨率。为了获得高分辨率变形条纹，采用基于最大后验概率的超分辨图像重建方法，使用高斯模型和马尔可夫-吉布斯随机场模型构建高分辨率变形条纹图的后验概率模型，通过目标函数最小化得到高分辨率变形条纹图的最优估计，实现超分辨率条纹图像提纯，最后将所有提纯后的等效相移变形条纹图用相位测量轮廓实现在线三维轮廓重构。实验结果证明了该方法的有效性。所提方法在高精度快速在线三维测量中具有很好的应用前景。

研究了一种基于法布里-珀罗标准具多光束干涉成像的微小角度测量方法。通过计算同心干涉圆环圆心位置变化量（圆心位移量）和成像物镜焦距，实现反射镜微小偏转角度的测量。采用相对测量原理，构建了基于圆心位移量不确定度分量和成像物镜焦距不确定度分量的微小角度测量不确定度评定模型。选取2 mm间隔的F-P标准具进行微小角度的测量实验研究，并进行了数据处理。实验结果表明，在600″微小角度测量范围内，测量不确定度不大于0.132″；在40″微小角度测量范围内，测量不确定度不大于0.045″。该方法可为具有自校准特性的、更高准确度的微小角度测量的实现提供参考。

针对海面溢油探测时存在虚警率高、油种识别单一等问题，基于菲涅尔理论建立粗糙海面溢油在不同方位角和天顶角下的偏振度模型，并分析其对偏振度分布的影响。在室外搭建可见光偏振双向反射分布测试装置，分别获取重油、原油、汽油、柴油等四种典型海洋溢油在不同观测方位角和天顶角下的可见光偏振度图像。通过提取图像灰度数据对比分析不同油种的偏振度差异，试验证明了理论模型的正确性。试验结果表明：不同溢油的可见光偏振特性存在明显差异，偏振对比度普遍高于5%。利用可见光偏振区分油种，是对传统溢油探测手段的有益补充，对提高海洋污染治理能力具有重要意义。

为了在材料动力学实验和结构响应研究中实现对平面靶约5 mm范围内多点速度的同时测量，基于光纤密排阵列和双远心镜头研制了一种与光子多普勒测速仪配套使用的具备空间分辨能力的激光发射接收探头。介绍了探头的光学设计和结构设计，并进行了装调和测试。输出光斑特性测试结果表明，探头垂轴放大率与设计值吻合，聚焦位置处最小光斑直径为109 μm，最大为202 μm。探头对漫反射靶的接收效率测试结果表明，探头中各光纤互不串扰，靠近中心的光纤的接收效率较大，而两侧的偏小。

为解决现有激光扫描投影系统中需要手动标定的问题，提出了融合单目视觉的激光扫描投影系统自标定方法。首先建立了融合单目视觉技术的激光扫描投影系统模型，给出了融合单目视觉的激光扫描投影系统自标定方法；其次建立了单目相机与激光扫描投影系统、被投影物体之间的数学模型；最后运用Matlab软件进行模拟仿真，证明融合单目视觉的激光扫描投影系统自标定方法可以解决上述问题。同时为验证融合单目视觉的激光扫描投影系统自标定方法的精度是否满足激光扫描投影系统的需求，将Matlab软件求解的实验结果与SA软件求解的实验结果进行对比，并分析精度与距离、角度等外部因素的关系。仿真实验结果表明：当距离一定时，单目相机旋转角度为55°时，单目相机距离投影仪和被投影物体的范围为1.5~3 m，且满足投影仪的精度要求。同时通过自主搭建新型激光扫描投影系统，证明了融合单目视觉的激光扫描投影系统自标定方法具有实际可操作性和可行性。