对目标进行更多属性信息的获取, 是光学传感器不断追求的目标。 偏振属性探测和传统光谱成像技术相结合的偏振光谱成像技术具有分辨“异物同谱”、 实现“目标凸显”、 “动态调节”、 “耀斑抑制”的能力, 蕴藏非常重要的应用潜力。 目前的偏振光谱成像系统存在诸多的缺点, 如结构复杂、 体积大、 通道串扰、 多维信息提取繁琐等问题。 针对上述问题, 提出一种基于线性渐变滤光片（LVF）和像素化偏振调制的紧凑型偏振光谱成像方法。 涉及关键技术有: 基于高光谱分辨率需求与短焦距约束, 采用双高斯结构作为初始光学结构, 并通过参数设计进行光学系统的仿真与实现; 采用LVF作为分光元件, 进行参数设计与验证, 与像素化偏振调制探测器在像面上进行耦合, 实现光谱信息与偏振信息同步获取。 基于上述技术路线进行了样机集成, 在实验室暗室对系统样机进行光学指标测试, 最终指标为: 工作波段: 430~880 nm, 空间分辨率: 0.22 mrad, 光谱分辨率为: 10 nm, 四偏振态同步获取, 系统传递函数: 0.547, 偏振探测精度: 89.4%, 光机系统总尺寸: 45 mm×45 mm×80 mm。 在室外进行推扫实验, 成像效果良好, 中心波长不同偏振态下的单色图有较明显的强度变化; 对全局图像进行多维信息提取与融合, 不同地物的特征光谱曲线有明显的波谱差异, 满足预期设计目标。 该方法突破了传统偏振光谱成像技术路线的缺点, 为偏振光谱成像多维信息获取提供了一种新型且有重要应用价值的方法。

高光谱显微成像(HMI)是一种新型无损光学诊断技术，其光谱数据能够反映样本的内部微环境变化，图像数据可以反映样本空间结构信息，因此可以作为癌症诊断工具，在未来具有广阔的应用前景。但HMI数据量大且数据结构复杂，将其应用于癌症诊断领域需要进行系统详细的数据解译。设计并搭建了一套推扫式HMI系统，并编写了系统控制、数据采集和数据分析软件，可提供多种基于机器学习的数据处理方法。基于MATLAB编制了具有图形化用户界面的HMI数据采集和数据分析软件，该软件可给出分析结果，为医生病理诊断提供了便利。利用该系统和软件进行皮肤癌的分类与分期研究，验证了系统的性能。HMI系统的光谱范围为465.5～905.1 nm，光谱分辨率约为3 nm，视场尺寸为400.18 μm×192.47 μm，放大倍率为28.15，实际分辨率范围为1.10～1.38 μm。分别采集基底细胞癌、鳞状细胞癌和恶性黑色素瘤组织的HMI数据，利用图像数据实现了三种皮肤癌的分类，准确率为85%；利用光谱数据实现了鳞状细胞癌的分期鉴别，准确率达到96.4%。

为了探究高光谱技术在胃癌组织病理诊断中的应用,将高光谱成像与显微系统结合,采集胃部切片组织的高光谱图像。针对胃癌组织与胃部正常组织在410~910 nm波段的光谱特性差异,提出了一种基于卷积神经网络模型的胃癌组织分类方法,对原始光谱进行S-G平滑和一阶导数等预处理,通过分析光谱数据的特点和模型的分类效率,确定了最佳的网络结构及参数。实验结果表明:该模型对胃部癌变和正常组织的分类准确率为96.53%,鉴别胃癌组织的灵敏度和特异性分别达到94.29%和97.14%;相比于浅层学习方法,卷积神经网络模型能够充分提取癌变组织的深层光谱特征,同时能有效避免过拟合现象。将深度学习理论与显微高光谱结合的方法为医学病理研究提供了新思路。

为满足动态目标实时光谱成像的应用需求, 设计了一种基于CDP(crossed dispersion prism)的静态、 快照式的光谱成像仪。 对其光谱成像原理进行了理论研究, 并根据理论研究结果对宽波段CDP光谱成像仪光学系统进行设计。 该光谱成像仪由CDP分光系统、 成像光学系统和面阵探测器组成, 视场角为4°, 焦距为110 mm, 工作波段为0.6~5.0 μm。 设计结果表明, 该仪器在0.6~5.0 μm的波段范围内具有较好的光谱成像能力, 平均光谱分辨率为20 nm。 该技术为实时获取动态目标光谱信息及位置信息提供了一种新方法, 同时该技术在对未知高能目标探测、 定位以及识别方面具有很大的潜力。

大孔径静态干涉成像光谱技术是近年来出现的一种新型干涉成像光谱技术，具有高通量、多通道等优点，然而干涉图与探测器之间存在一定配准误差时，则会对复原光谱产生较大的影响，甚至影响到仪器的最终应用。针对该问题，通过对大孔径静态干涉成像光谱仪成像机理的分析，提出了一种探测器配准误差的标定方法，经验证该方法可以很好地解决探测器的配准误差，最终提高了复原光谱的精度，该研究对大孔径静态干涉成像光谱仪的研制具有重要的指导意义。

为了解决空间相机高分辨率与大视场的难题，在共轴三反的基础上，通过对以往离轴三反系统改进设计，提出了一种长焦距、大视场、大相对孔径无中心遮拦的离轴三反系统设计方法，并利用ZEMAX软件设计了一种焦距为1 200 mm，视场角11°×3°，相对孔径F/4,工作谱段在0.4~2.5 μm的光学系统，该系统在全视场空间频率 50 lp/mm处，MTF均值大于0.42，接近衍射极限，弥散斑直径RMS值小于10 μm，表明其具有良好的成像质量。