提出一种新的测量矩阵获取方式——成像变换法,利用可见光相机拍摄调幅板花纹信息,采用相干成像算法获得模拟光场,最终将其转变为关联成像测量矩阵。通过搭建的太赫兹关联成像装置验证了成像变换法的可行性。实验结果表明,采用成像变换法得到的测量矩阵可使太赫兹关联成像达到系统的衍射极限分辨率,成像质量明显优于传统扫描方式获取的测量矩阵。同时实验研究了采样次数、光瞳函数、矩阵分辨率等因素对最终成像质量的影响。

研究了一种基于主动关联成像方式的太赫兹成像系统，可利用一个太赫兹单点探测器实现目标的高速、高分辨二维成像，突破了太赫兹器件的分辨率限制。该系统采用双调幅板旋转方式产生可重复使用的测量矩阵，大幅提高了成像速度。通过数值模拟给出了成像距离、调幅板随机图形尺寸、采样次数、采样矩阵相关性等参数对成像结果的影响，得到最佳实验参数，并优化了双调幅板的运动策略。搭建的太赫兹主动关联成像实验装置采用波长为3 mm的太赫兹源，实验证明其成像分辨率为4 mm，且成像时间由调幅板的电机转速决定，证实了此种太赫兹成像方式的可行性。

建立了光机一体化仿真方法，从而实现对光学系统的性能评估。利用Ansys有限元软件进行热-结构仿真，将得到的数据文件进行刚体位移分离时采用新的评价函数，通过设置位移参量和随机值验证计算精度达到0.3%。运用Householder算法做Zernike拟合，将拟合系数作为与ZEMAX进行通信的数据接口，并采用动态数据交换技术实现Matlab与Zemax的数据交换。在此基础上给出一个角度检测物镜仿真的实例，得到了光学畸变随温度变化的曲线，说明为达到1″的测量精度，需保证工作温度范围为14~26 ℃。

机器视觉技术在工业测量中具有广泛应用，实现高精度的机器视觉测量对精密加工、制造具有重要意义。针对机器视觉应用中待测物体偏离焦面及在纵深方向过厚导致测量结果出现误差的问题进行了研究。重点讨论了系统中镜头远心度引起的平行性误差及其对离焦物体测量结果的影响。实验结果表明，在物体偏离最佳成像面而引入的误差中，平行性误差占到90%左右，因此可通过后期对平行性误差进行补偿以较大程度地提高系统测量精度。此外，针对待测物体过厚导致边缘模糊这一问题采用多种边缘检测算法进行了分析。结果表明在一定范围内，物体纵深方向越厚，边缘检测误差越大。在这一结果的基础上，对算法进行改进，提出一种基于图像灰度曲线的补偿方法，使测量误差由超过20 μm降至10 μm以下。

针对早期研制的激光直写装置存在的刻写速度慢、功能不够完善的缺点，重新设计并搭建了一套小型激光直写光刻系统。该系统采用波长405 nm可高速模拟调制的单横模半导体激光器作为刻写光源，结构更为简单紧凑；采用正弦振荡模式控制纳米平台运动，大幅度提高了刻写速度；增加了刻写光源功率校正功能、基于互补金属氧化物半导体(CMOS)相机的样品观察功能、蓝光共聚焦成像功能以及刻录光源功率衰减以实现一般光刻胶刻写的功能。通过记忆调焦数据，刻写蓝光、辅助聚焦红光以及样品观察绿光三束光分时工作，互不干扰。实验表明，该光刻系统可在光敏薄膜材料上进行打点、刻画矢量和标量图形等多种操作，刻写范围200 μm×200 μm，最少用时100 s，刻写分辨率在250 nm以内。

蓝宝石是制作发光二极管(LED)衬底的基本材料，其质量直接影响高亮度LED衬底的晶片制造成品率，对于棒状蓝宝石晶体内部缺陷的检测定位能极大地降低生产成本，提高成品率。针对蓝宝石衬底加工要求，在机器视觉技术的基础上，利用LabVIEW及NI公司的图像采集卡和数据采集卡搭建了一个基于激光光散射层貌术的蓝宝石内部缺陷检测定位系统。系统利用高强度的线状激光照射下缺陷产生的光散射效应对蓝宝石晶体进行逐层扫描和图像采集，运用图像增强、图像分割及图像提取等图像处理手段对采集到的图像进行缺陷提取和分析，实现了对蓝宝石内部缺陷的检测和定位，具有很高的实时性和可视化效果。实验结果表明，该系统能有效地识别出蓝宝石晶体中的散射颗粒缺陷，并对其在棒状蓝宝石晶体深度方向上准确定位。

为解决传统光学检测方法存在的对已刻（干刻）区域无法检测、潜在曝光可能性、系统光路复杂以及灵敏度较低等缺点，提出了一种可用于激光直写光刻自动聚焦的高灵敏度流量计式位移检测系统。详细介绍了系统的原理、系统设计、实验方法以及误差分析等。根据流量传感器检测得到的气流变化，可以判断光刻系统中聚焦系统是否离焦以及离焦量的大小。再将此气流变化量转化为电压值反馈至压电陶瓷(PZT)执行机构，通过执行机构实现自动聚焦。由于喷嘴挡板系统可以建立喷嘴挡板间距与喷嘴内部压力的关系，而流量敏感度要高于压力敏感度，故采用了热线探针来检测系统流量变化。实验证明，该方法能够准确检测系统离焦量，系统测量精度可达100 nm，频率响应可达20 Hz，量程可达20 μm。而且在一定范围内喷嘴挡板间距与空气流量变化具有非常好的线性关系。

采用基于稀疏限制的鬼成像技术(GISC)框架模拟研究了散斑场中散斑强度分布对成像质量的影响以及重建过程中所需要的采样次数与散斑尺寸和目标稀疏性的关系。数值模拟结果表明，光斑强度分布对成像分辨率影响较大，高斯散斑优于相同直径平顶散斑，且高斯分布散斑更适合于实际应用。当散斑尺寸小于图像的分辨率时，所需的采样次数只跟图像的稀疏度有关，而与图像的具体分布方式无关；当散斑尺寸超出目标自身的分辨率时，获得相同成像质量的图像(以较低分辨率图像为准)所需要的采样次数与散斑直径的平方成反比。模拟验证采样次数与目标稀疏性的关系，并给出和验证了具有灰度的自然目标图像的稀疏度计算公式。

针对强度关联成像遥感探测中存在的成像速度受到参考臂图像采集速度限制的问题，研究了一种基于随机相位板扫描的可重复赝热光源。通过产生可重复使用的散斑，省去成像过程中参考臂的实时采集。建立了散斑重复性评价函数，并数值模拟分析了使用可重复散斑对关联成像质量的影响，给出了在不影响成像质量的情况下所允许的激光强度抖动和扫描定位精度。实验分析了此可重复赝热光源的性能指标。实验结果表明，在发射速率为4000 frames/s时，赝热光源的激光强度抖动及扫描定位精度均满足要求，散斑相关系数可达到0.97以上，成像分辨率可达到衍射极限，证实了此可重复赝热光源的可行性。