为了线结构光平面标定的准确性和高效性，以及提高线结构光平面标定方法的普适性，提出了一种基于2维圆形标靶的线结构光平面标定方法。采用光条提取算法得到照射在2维圆形标定靶任意位置处光条中心点的亚像素坐标值，将光条上所有点拟合成直线，交圆形标定靶每列靶标连线于一点; 得到每列靶标连线与拟合出的光条中心线交点后，连接交点与相机光学中心形成一条直线; 联立该连线的直线方程与像素坐标系下两条交线的直线方程，以及2维圆形标定靶所在平面的方程，求解出每个交点在相机坐标系下的坐标; 最后采用最小二乘拟合算法进行平面拟合，得到了所求光平面方程; 介绍了该标定方法的基本原理和实现过程，搭建实验系统对其有效性进行了验证。结果表明，用该方法求取光平面的平均测量误差可以达到2.36737 mm，鲁棒性高，且标定流程十分简便，适用于一般的工程应用和机械加工过程。该研究为线结构光传感器的光平面标定提供了参考。

在对传送带上物体进行三维扫描成像过程中，位移标定方法的便捷性、准确性对于最终的成像精度和效率有非常重要的影响，但传统的位移标定方法需要已知位移平台或者传送带的运动速度或严格控制两次标定图片中标定板之间的精确位移，使得标定过程较为复杂。论文提出了一种专门用于传送带上物体测量的线结构光三维扫描成像系统的位移标定方法。只需要采集一系列标定板随传送带移动的位移标定图片，从中提取两张帧数间隔大于1的图片并记录对应的帧数，即可对单帧位移进行标定。介绍了该标定方法的基本原理和实现方法，搭建了线扫描单目成像系统，并对双阶梯型精度块进行了三维重建。实验结果表明，方法原理简单，操作便捷，测量速度更快且重建误差小于0.3mm，适用于以传送带作为主要运输工具的各个领域的实时三维测量。

为了进一步降低成本并提高成像的速度与精度, 提出了一种基于发光二极管（LED）照明的全场时域光学相干层析成像技术(OCT)系统。用LED作光源、采用带反馈的闭环四步移相法采集信号, 阐述了其成像原理, 并进行了系统结构研究、理论分析和实验验证。结果表明, 系统的相干长度为23 μm, 轴向分辨率达到了11.8 μm, 横向分辨率为19.8 μm, 单幅图的采集时间为2.15 ms; 与以往的OCT扫描方式相比, 该方法减小了实现成本, 并具有更快的扫描速率以及更高的精度, 有着很大的使用价值。该研究为开发超高速、高精度的低成本OCT系统提供了参考。

硅基光子集成谐振腔作为光学敏感单元对芯片级光学陀螺的性能起着至关重要的作用。以互易敏感增强型双微环架构的光子集成陀螺谐振腔为研究对象，通过时域有限差分法仿真分析了双微环谐振腔的关键结构参数，并通过搭建仿真链路研究了微环谐振腔的品质因子、精细度与耦合系数、传输损耗的内在关系。在此基础上，选取典型结构参数设计版图，基于无源硅基光子集成工艺的多项目晶圆流片制备了双微环谐振腔器件。测试结果表明，当微环半径为500 μm、波导与微环的耦合系数为0.3时，在工作波长1550 nm附近微环的自由光谱范围为0.182 nm，3 dB带宽为0.045 nm，精细度为4.04，品质因子约为3.4×104。本研究结果为双微环谐振腔的进一步优化设计提供了依据。

针对单一成像系统获取RGB-D数据时视场过小难以满足大视场成像需求的问题，提出了基于空间信息聚类的RGB-D数据拼接融合方法。根据RGB-D数据中蕴含的空间信息定义物点距离，利用simple linear iterative clustering （SLIC）方法实现空间信息聚类。将场景分割成若干平面子块，每个子块具有单应性，可以进行准确的单应性矩阵计算，进而实现将小视场RGB-D数据准确拼接融合生成大视场RGB-D数据。实验结果表明，所提方法能够改善图像变换过程中产生的扭曲变形及拼接过程中在重叠区域产生的错位。峰值信噪比（PSNR）和结构相似性（SSIM）两个定量评价指标说明基于空间信息聚类的RGB-D数据拼接相较于全局拼接，结果质量得到了提升。

雾天环境下拍摄图像时，雾、霾等介质导致图像模糊、对比度低、色彩暗淡。结合大气散射模型与偏振光原理，实现了利用斯托克斯参数获取亮度最大和亮度最小的双角度偏振图像，并通过新提出的四分图像暗通道均值比较法，准确估计出场景中无穷远处大气光强值，最终将有雾图像恢复到无雾图像。所提方法在薄雾和浓雾环境下均取得了较好的实验结果，在两种环境下图像NRSS（no reference structural similarity）和平均梯度均有较大提升。

为了获得高均匀性、对称性及一些特殊形状强度分布的白光发光二极管(LED)光束以满足某些特定的需求, 基于白光LED光源为朗伯光源的特性, 运用自由曲面透镜的方法对LED光束进行了光束整形, 分别采用单一自由曲面透镜以及全内反射(TIR)透镜与微透镜阵列组合两种不同的整形结构, 进行了加工工艺和原理理论分析, 并通过了实验验证。结果表明, 实验得到的圆形均匀光斑, 其总光线利用率高达96%, 有效面积光线利用率为88.4%; 得到的矩形均匀光斑, 总光线利用率为91%, 有效面积光线利用率为78.7%, 光束均匀度均在60%以上;通过自由曲面透镜方法进行白光LED光束整形效果极佳。该整形方法为白光LED光源的进一步广泛应用提供了重要的指导。

The propagation property of Laguerre-Gaussian (LG) beams passing through a diffractive ring-lens (RL) was studied, where the RL was generated by a liquid crystal spatial light modulator (LC-SLM). It was found that the LG beam was transformed into a sharp ring at the focal plane first, and then a Bessel-similar beam was formed behind the focal plane but the beam size was enlarged with the increase of propagation distance. With the help of a group of lenses, the beam was further collimated into a Bessel beam. Finally, the “non-diffractive” and selfreconstruction properties of the generated Bessel beams were experimentally verified.

光阱刚度是描述光镊对粒子进行操控的重要力学指标，实际使用过程中会受到激光功率的影响。采用均方位移法及玻尔兹曼统计法对搭建的光镊系统进行光阱刚度的标定，利用图像采集方法进行微粒位移的测量，并对两种方法的测量结果进行了比较。为了提高光阱刚度的标定结果的准确性，分析了光路放大倍数、温度变化对最后标定结果的精度影响。结果表明，两种方法进行标定的结果基本相同; 光阱刚度在低激光功率(1 mW ~20 mW)范围时随功率近似线性增加，在高功率情况下(25 mW~60 mW)随功率增加不再线性增加，而是趋于一个饱和值。此外，光路放大倍数标定的精确性对标定的精度影响较大，10%的相对误差时，标定结果产生23%的变化，温度对标定的精度影响较小，±0.1 ℃的温度变化导致标定结果0.034%的变化。