硅基光电倍增管(SiPM)是由数百乃至数千单光子雪崩二极管(SPAD)组成的阵列，它具有增益高、易于集成到阵列以及抗干扰等优点，在激光雷达测距方面具有广泛的应用前景。本文分析了激光雷达测距中的信号和噪声模型，仿真计算了阳光下的SiPM模拟输出，通过高斯拟合得到相应的均值，并在SPAD接收光子受激发概率服从泊松分布的基础上，给出了背景光电子数在0.001个/ns~0.01个/ns，探测器死时间在5 ns~50 ns范围内受背景光影响的SiPM模拟输出计算公式，推导了目标探测概率表达式。在室外环境光下进行的激光测距探测概率实验结果与理论计算值相吻合。

利用模式耦合理论和有限元求解方法，研究了基于选择填充光子晶体光纤(PCF)的耦合器对弯曲的响应。引入等效折射率(RI)，将弯曲波导简化为直波导，仿真确定耦合波长并分析器件弯曲传感性能。研究表明，耦合波长的移动与弯曲曲率呈线性关系，并指示弯曲方向；耦合波长由填充液体折射率和空气孔直径决定；弯曲灵敏度取决于填充孔与纤芯距离。利用此规律，设计了基于选择填充PCF的二维弯曲矢量传感器。在PCF截面上选择相互正交的2个空气孔，分别填充不同折射率液体，2条液体波导各自与纤芯形成耦合器，监测2个耦合波长变化即可求解器件的弯曲曲率及在二维空间中的弯曲方向。该传感器具有良好的设计柔性与制备可控性，具有良好的应用前景。

对于双目视觉立体匹配算法,先验的视差范围估计是影响算法匹配效果和运行时间的重要因素.在双目视觉系统的实际应用中,匹配视图之间的视差范围通常随场景的变化而不断改变,因此需要对视图间的视差范围进行有效的自动估计.针对此问题,开发了一种双模相机,可分时采集场景的灰度图像和深度图像,该深度图像与灰度图像有相同的空间分辨力.在双目视图匹配过程中,通过引入深度图的信息,可约束每一个待匹配像素的视差范围.对于实验室内采集的普通视图对,本文方法相较以视图间视差最大、最小值为约束的方法,匹配速度提高3倍以上,匹配误差减少2%,有效提高了匹配的可靠性和普适性.

由于强散射介质的散射作用，使得传统光学成像系统难以有效探测其内部目标。针对这一难点，提出了一种对强散射介质内部目标进行高分辨率实时成像的方法。基于强散射介质波前校正原理，采用汇聚照明方式，通过纯相位型空间光调制器，对散射介质表面点目标进行校正，使其清晰成像。在此基础上，保持调制图样不变，将汇聚照明改为扩展照明，即可实现对校正点附近较大视场和景深范围内目标的实时清晰成像。基于此方法搭建的实验系统很好地实现了强散射介质内部目标的实时成像，通过比较传统光学系统在无散射介质条件下和散射成像系统在有强散射介质条件下的成像质量，结果表明，散射成像系统具有更高的成像锐度。

在对相同材质，不同光泽的物体表面进行颜色测量时，为了去除表面光泽对颜色测量产生的影响，多选择漫射照明、8°观察角、包含镜面反射光的照明观测条件。在理想情况下，由于积分球对照明光线的匀化，测量结果不会受到材料表面光泽的影响。但是在实际仪器结构设计中，由于测量结构设计的限制导致相同光谱反射率，不同表面光泽的测试样品颜色测量结果不同。文章从理论上分析了漫射照明、8°观察角、包含镜面反射光的照明观测条件下不同光泽材料表面测量产生误差的原因，设计了一种可以同时测量颜色数据和光泽数据的测量结构，提出了一种根据被测材料表面光泽数据对 SCI测量数据进行修正的矫正模型，并设计相关实验进行验证。实验结果证明，应用该矫正模型对测量结构进行修正可以显著减小该测量误差。

为了获得特定的探测器光谱响应, 可以采用全滤色片法对滤色片进行精确匹配.在匹配计算时, 通常使用滤色片的垂直光谱透过率作为计算依据；而实际应用中斜入射的光线会导致匹配计算结果和测试结果不一致.本文在光线漫入射条件下对圆柱形状滤色片的漫入射光谱透过率计算方法进行了分析, 提出了一种由滤色片垂直入射光谱透过率计算滤色片漫入射光谱透过率的修正模型.设计了双积分球测量装置对滤色片的漫入射透过率进行检测.在该装置下检测不同滤色片的漫入射光谱透过率, 并与修正模型计算结果进行对比验证.实验结果表明, 修正模型可以在较小误差范围内由滤色片的垂直入射光谱透过率计算其漫入射光谱透过率, 应用于全滤色片匹配可以显著提高匹配结果和实际测量结果的一致性.

对表面光泽度较高的物体表面颜色进行测量，常采用漫射照明、8°观察角、消除镜面反射光的几何条件。在结构设计中，通过积分球内设置的光阱来消除镜面反射光。由于光阱的尺寸、大小的不同，导致不同结构的仪器在测量表面光泽度不同的样品时会产生较大的器间差。从理论上分析了漫射照明、8°观察角、消除镜面反射光的几何条件下不同结构的测量仪器的器间差产生原因；设计了一种可以兼容包含镜面反射光(SCI)和去除镜面反射光(SCE)几何条件的测量结构，通过对样品表面SCI和SCE数据进行同时测量获得样品表面的光泽数据；提出了一种根据被测材料表面光泽数据对SCE测量数据进行修正的修正模型，并设计相关实验进行验证。实验结果证明，应用该修正模型对测量结构进行修正可以显著减小不同仪器结构之间的测量偏差，有显著的工程应用价值。

介绍了一种光电积分式光源颜色照度测量仪器中的滤光片优化设计方法。研究了实际测量时由于光束斜入射导致的滤光片光谱透射率与垂直入射的不同所导致的设计误差，建立了漫入射有色玻璃透射率的修正模型，提出了一种基于修正模型的滤光片匹配方法，应用于颜色照度测量仪器的设计。设计了实验对匹配结果进行验证，实验结果证明修正模型有效地减小了设计误差。

本文介绍了一种基于面阵探测器的凝视成像激光雷达系统。整个系统分为三部分, 第一部分是脉冲激光发射系统, 采用中心波长为 808 nm的半导体堆叠激光器作为光源; 第二部分是接收系统, 由成像物镜, 像增强器和面阵探测器组成。第三部分是计算机图像数据采集处理系统。系统使用分时的两次测量法, 先后用恒定增益和线性增益两种方式对接收到的光强进行调制, 由这两次测量得到的光强信息解调出距离信息。文章分析了系统的噪声特性, 对给定的系统参数用仿真软件估计了距离误差。实验表明, 系统的实际距离分辨力和仿真分析得到的距离分辨力相符。

相比传统的点扫描激光雷达，基于距离选通和增益调制测距原理的面阵成像激光雷达，具有测距速度快的优点，但同时会引起单帧图像信噪比降低。根据成像激光雷达的原理，建立了其在散粒噪声影响下的测距精度模型，基于该精度模型和机载面阵激光雷达成像的特点，提出了一种应用灰度图像配准叠加提高测距精度的方法。对飞机姿态、光源均匀性、叠加帧数等因素在采用该方法时是否对测距精度有影响进行了分析。分析结果表明，图像完全匹配后，飞机姿态对测距精度没有影响，光源均匀性优于40%时对测距精度影响可以忽略，一定叠加帧数内时灰度叠加不会影响目标之间的相对距离。进行了地面动态实验和机载航拍实验，并将此方法应用于图像的校正，实验结果验证了该方法的有效性。