为解决棱镜分光式光谱成像系统存在的直视性差、分光线性度低、固有谱线弯曲较大的问题, 提出了基于双阿米西棱镜的光谱成像系统。通过矢量折射定律, 运用MATLAB编程实现棱镜谱线弯曲的精确计算, 并进行了仿真验证。在研究双阿米西棱镜谱线弯曲特性的基础上, 搭建直视型消谱线弯曲双阿米西棱镜作为分光元件, 设计得到的光谱成像系统工作波段为400~800nm, 全波段光谱分辨率高于7nm。在中心波长600nm处, 中心视场主光线经双阿米西棱镜后的出射光线与光轴夹角小于0.31 °, 全波段谱线弯曲最大值小于2.557μm。系统满足直视性和消谱线弯曲的要求, 方法对消谱线弯曲棱镜光谱成像系统的设计具有普适性的指导意义。

针对目前利用相机标定参数进行图像拼接的方法存在受场景限制大、标定过程复杂而耗时长的问题，提出一种多场景下基于快速相机标定的柱面图像拼接方法。首先，利用棋盘格标定板角点特征提取精度高的特点，使其分别位于两两邻接图像的重叠视场中，对该图像序列依次进行角点提取、精确化和匹配等预处理，以准确快速求解出待拼接图像间的配准参数；然后利用标定得到的配准参数快速拼接图像，通过柱面投影以保持图像的视觉一致性，并采用多频段融合以保留图像的细节信息；最后，将整个系统搭建在低功耗嵌入式平台，实现可在多场景下完成快速标定及基于标定参数的拼接过程。实验结果表明，该文方法在室内及隧道等场景下可准确快速完成相机标定，图像拼接过程耗时短，同时可保证较高的拼接精度和较好的成像效果，具有较强的鲁棒性。

传统Czerny-Turner结构的成像光谱仪存在固有的像散, 为选择合理的消像散结构。对现有的消像散方法进行了比较, 在不忽略光栅与准直镜和聚焦镜距离的情况下, 分析了传统Czerny-Turner光谱仪的零阶消像散条件, 推导出子午和弧矢焦长的表达式, 并利用MATLAB精确计算出零阶消像散的光学结构参数。此外, 分析了用超环面聚焦镜代替球面镜、加入柱面反射镜和柱面透镜等方法的消像散条件, 并在可见光波段分别对初始Czerny-Turner结构进行改进优化。所有方法在整个波段内都较好地校正了像散, 将平面光栅置于发散光路中的方法不引入复杂光学元件, 结构简单、加工成本低、易于装调, 最具推广价值。

针对传统网络结构不能充分利用数据中时空信息的问题,提出了一种时空金字塔池化模型,并将该模型与非局部特征计算操作相结合,设计了一种基于时空信息密集计算与融合的三维密集连接卷积神经网络,从而可以更有效地提取视频的时空特征。将该算法应用于课堂场景下教师行为的分析,实验结果表明,所设计的网络结构在教师行为数据集上达到了较高的识别准确率。

核酸是携带遗传信息的物质, 既存在于自然界中也能够通过成熟技术人工合成。通过体外筛选技术还可以筛选出具有特殊功能的核酸序列, 例如核酸适体和脱氧核酶。核酸通过沃森-克里克碱基互补配对原则进行杂交, 具有很强的专一性。无论是通过序列设计还是体外筛选, 核酸探针在生物标志物的分析与成像应用方面都发挥着重要作用。纳米材料辅助构建核酸功能化纳米探针, 可以保护负载的核酸探针不被核酸酶降解, 并且无需转染试剂就能进入细胞, 在细胞荧光成像应用上具有很大优势。为解决细胞内有些生物标志物含量低、难于检测的问题, 目前已构建多种适用于细胞水平的成像信号放大方法来实现对低丰度生物标志物的高灵敏成像。本文主要综述了核酸功能化纳米探针在细胞荧光成像中的应用进展, 包括反义寡核苷酸功能化纳米探针、核酸适体功能化纳米探针、脱氧核酶功能化纳米探针等, 同时介绍了他们在成像信号放大中的应用。

针对棱镜型成像光谱仪结构复杂、 具有严重的色散不均匀性, 进行了共光轴线色散棱镜式宽谱段成像光谱仪研究。 利用棱镜的色散公式建立了对称型三棱镜组合分光结构的数学模型, 获得了满足直视结构的棱镜组合, 并在此基础上分析影响棱镜组色散线性因素： 棱镜材料的折射率和色散率对棱镜组线色散影响比较大, 入射角度对其影响比较小, 并提出改善色散线性的方法, 获得了满足线色散要求的棱镜组合的折射率条件, 从而为共光轴结构的线色散棱镜式成像光谱仪初始结构的选择提供了重要理论依据。 在工作波段为400~1 000 nm、 中心波长偏向角为0°、 最大色散角为0.6°、 光谱仪系统数值孔径NA为0.18、 光谱分辨率为5 nm条件下, 实现共光轴三棱镜分光系统的线色散设计, 最后利用ZEMAX进行了模拟分析表明, 理论计算结果与实际仿真结果基本相符。

针对传统机器人视觉测量系统中测量精度受机器人绝对定位精度限制的问题，构建了基于全局空间控制的高精度柔性视觉测量系统并研究其标定技术。通过全局空间测量定位系统实现机器人末端工具的高精度实时控制，可以突破机器人自身定位精度的限制，充分发挥其高度柔性的运动特性。为实现系统高精度测量，提出一种基于单应性矩阵的视觉传感器外参标定方法，该方法仅需对所设计的平面靶标进行一次成像，结合激光跟踪仪进行坐标转换即可实现传感器坐标系与外部参考坐标系之间坐标转换关系的精确标定。实验结果表明，基于全局空间控制的机器人视觉测量系统在其工作空间中距离测量精度优于0.2/mm，较传统的机器人视觉测量系统得到显著提高。

针对传统长波红外成像光谱仪难以同时实现弱遥感信号下高信噪比和小型化的现状，在数值孔径NA为0.19和0.33，工作波段为8~12 μm下，设计并对比分析了两种具有同心结构的Offner凸面光栅和Dyson凹面光栅光谱仪，借助Zemax软件，获得了它们的最优解。当NA1=0.19时，两者均能理想成像，Offner结构大小为245 mm×213 mm×111 mm，调制传递函数(MTF)大于0.38，光谱分辨率为35 nm，谱线弯曲小于4.8% , 色畸变小于12.8%；Dyson结构大小为308 mm×61 mm×49 mm，MTF大于0.48，光谱分辨率为12 nm，谱线弯曲小于0.047%，色畸变小于0.138%。当NA2=0.33时，Offner结构无法理想成像，Dyson结构仍有很好的像质，大小为317 mm×88 mm×88 mm，MTF大于0.71，光谱分辨率为1 nm，谱线弯曲小于0.015% ,色畸变小于0.028%。设计结果表明，长波红外波段中，相对于Offner结构，Dyson结构具有数值孔径大、体积小、光谱分辨率和传递函数高以及谱线弯曲和色畸变小的优点。

红外连续变焦光学系统具有很多优势，介绍了一种可以实现高变焦比的设计方法.据此设计了一个系统，其由八片透镜组成，工作波段为3.7~4.8μm,可实现10~450mm连续变焦.系统在全焦距范围内奈奎斯特频率处的MTF值均大于0.3，系统F数为4，且满足冷光阑效率100%的要求.