针对空间相机轻量化、小型化要求，采用一体式环形孔径透镜。由于基底单一和结构紧凑，系统存在色差和球差，引入衍射光学元件和偶次非球面校正像差，而单层衍射光学元件在宽波段存在衍射效率下降等问题，设计了一种端到端式光学-数字联合成像系统，对影响衍射效率主要级次的点扩散函数进行一致性优化，构建出空间不变的点扩散函数模型，为后续图像复原建立复原函数模型，实现退化图像的复原。最终光学-数字联合成像系统工作波段确定为0.45~1 μm，焦距为185 mm，视场为5°，F数为4，遮拦比为0.35，系统总长为67.8 mm。

半导体激光器在激光扫描中得到了广泛应用，但由于其快慢轴发散角差异较大，需要进行光束整形。为提高线阵半导体激光器的光束均匀性，并满足小型扫描成像系统的微型化需求，提出一体化透镜阵列光束整形系统设计方案。系统采用一体化非球面透镜对高斯光束进行整形，快轴进行准直，慢轴进行扩束，能够获得高长宽比、光强均匀分布的线光束。理论分析一体化非球面透镜阵列进行准直扩束的原理，依据费马原理确定系统初始结构参数。利用光学设计软件对系统进行仿真优化，得到快轴发散角为2.8 mrad、慢轴发散角为48.93°（长宽比为325）、能量利用率为88.79%、能量均匀度为94.51%的线光束。结果表明，此方法整形效果理想、结构简单、体积小，符合未来光束整形系统微型化的发展趋势。

针对散射法在检测光学元件表面划痕时只能得到其光场分布而无法直接得到划痕深度信息的问题，将角谱迭代算法、光强传输方程（TIE）和角谱迭代结合的算法应用到光学元件表面划痕深度检测中。首先，采集光学元件表面的光场分布，分别利用两种重建算法得到表面划痕的相位分布，通过表面划痕对相位的调制特性计算出划痕深度；然后，从强度误差、相关系数及相对均方根误差来对两种算法的有效性进行评价；最后，通过实验验证了光学元件表面划痕深度重建结果的准确性。结果表明，与角谱迭代算法相比，TIE和角谱迭代相结合的算法重建划痕深度的相对误差更小，重建效果更好，重建精度更高。

为实现铌酸锂光学器件的高效集成，在其表面制备亚波长结构是实现其光学特性的最佳方式。然而，目前使用的聚焦离子束刻蚀、激光刻蚀、湿法刻蚀等方法很难简单、经济、较快地制备铌酸锂亚波长结构。鉴于此，本课题组基于有限元仿真及低能离子束刻蚀技术，研究了不同离子束参数下刻蚀的铌酸锂亚波长结构及其透射率。采用Lambda950分光光度计和原子力显微镜分别对刻蚀后的铌酸锂样品的透射率、均方根粗糙度、纳米结构的纵向高度和表面形貌进行了分析。结果表明：当离子束入射角度为70°、入射能量大于600 eV、束流大于40 mA、刻蚀时间大于60 min时，铌酸锂样品表面形成了大面积的锥形纳米结构，并且纳米结构的高度随着离子束刻蚀参数的增大而增大；在可见光波段，铌酸锂表面纳米结构越高，增透效果就越明显；当入射能量为1000 eV、离子束束流为40 mA、入射角度为70°、刻蚀时间为120 min时，铌酸锂表面刻蚀出了纵向高度为143.5 nm的锥形结构，此时在可见光范围内铌酸锂样片的峰值透射率为83.5%，相较于原片的透射率提高了约12.5个百分点。

半导体激光器能量转换效率高、体积小、稳定性好，因此激光雷达常以半导体激光器作为光源。针对半导体激光发散角大，而传统的分离式双柱面准直透镜组存在装调误差大、结构复杂、稳定性低的缺点，提出一体化非球面柱透镜准直方案，分别在两面的相互正交的两个方向设计不同的面型，压缩发散角，同时实现半导体激光器快慢轴两个方向的准直。根据费马原理及扩束准直理论初步确定两正交方向准直面面型参数，以最小光斑半径和最大光通量为目标，以MEMS微镜尺寸为限制因素进行优化，最终完成发射端光学设计。准直后光束快轴发散角2 mrad，慢轴发散角9.6 mrad，准直效果接近车规级激光雷达的平均角分辨率，透镜体积为10×10×24 mm3，发射端系统总长40 mm，系统通光率大于98.6%，满足MEMS-LiDAR对光源准直度、发射端系统集成度和稳定性的要求。

点云配准是三维重建中的重要步骤, 为解决传统迭代最近点(ICP)点云配准算法速度慢、迭代次数多、精度低的问题, 在搭建3D相机与RGB模组成像系统的基础上, 对传统ICP方法进行改进, 提出一种AKAZE(Accelerated KAZE)算法与广义迭代最近点(GICP)算法相融合的方法。此方法采用AKAZE算法进行RGB图像的特征点匹配, 将RGB图像的特征点映射至对应的点云数据上, 利用广义迭代最近点算法实现点云配准。试验结果表明, 所述融合算法相比传统的ICP算法, 降低了迭代次数, 平均时间缩短了41.29%, 时间效率得到了极大提升, 配准效果也有明显改善。提出的点云配准方法有效地解决了传统配准方法时间效率低的问题。