在现有单次测量极高速成像方法中，直接成像方法的分辨率高但探测系统复杂，而计算成像方法探测系统简单但易损失空间分辨率。因此，提出一种基于偏振编码的极高速成像技术。所提成像系统利用半波片阵列和偏振片阵列对入射飞秒脉冲、出射飞秒脉冲和动态事件进行偏振编码，并通过线性方程组解码极高速动态的时序图像。通过构建光学模型并仿真，精确还原了多幅图像，验证了所提方案的可行性，理论摄影频率在10¹³ frame/s以上，本征空间分辨率可达114 lp/mm。所提成像系统结合了直接成像和计算成像系统的优势：线性方程组精确求解，不会导致光学系统分辨率损失；时序图像叠加使探测结构只需分光不需要对不同时刻的图像进行空间上的分离，简化了探测器的结构。该极高速成像系统的时间分辨率仅受脉冲宽度限制，可以实现飞秒级动态事件的探测，并且随着脉冲宽度的缩短，其时间分辨率可以得到进一步提升。

虾蛄眼具有强大的视觉系统, 具有多光谱和偏振探测能力。以虾蛄眼微绒毛阵列结构为基础, 进行仿生研究。针对偏振探测中的能量利用率以及空间分辨率的问题, 仿生虾蛄眼微绒毛阵列结构, 研究了孔阵列光子晶体结构, 实现偏振滤波与光谱滤波的集成; 根据虾蛄眼微绒毛具有光谱滤波及光信号吸收特性, 以纳米线栅为仿生结构基础, 实现偏振、光谱吸收特性的集成; 依据虾蛄眼双向微绒毛阵列结构, 以正交纳米线栅为仿生结构基础, 实现单位像元的双向偏振吸收。

本研究采用严格耦合波分析法设计具有宽带广角抗反射特性的ZnS MS材料的蛾眼亚波长周期微纳结构。基于严格耦合波理论, 控制周期尺寸小于入射波长与材料折射率的比值, 实现高级次衍射波为倏逝波, 以提高蛾眼结构宽带抗反射效率。采用时域有限差分法分析蛾眼结构周期、底端直径、结构高度和顶端直径对光谱透过率的影响, 并对4种结构参数进行优化。此外, 还选取可见光、近红外和中红外三个特征波长进行宽角度入射的电场分析。研究结果表明：在短波范围内, 蛾眼宽角度抗反射性能取决于结构表面的减反射和前向散射的能力; 而在长波范围内, 蛾眼结构被视为ZnS MS平面膜层, 其光谱特性主要受Fabry-Perot干涉影响。该研究为不同波段宽角度蛾眼结构设计提供了理论依据和设计方法。

提出一种可见光谱段内窄带偏振陷波滤波的矩孔光子晶体结构。通过建立矩孔光子晶体模型,将矩孔光子晶体结构等效为介质层-光栅层-介质层周期结构,利用Rugate滤波理论对矩孔光子晶体结构进行分析,结合等效介质理论(EMT)和传输矩阵方法(TMM)对结构模型的入射光s偏振、p偏振的透过率进行仿真。另外讨论了矩孔光子晶体纵向周期数m、光栅层填充比f、厚度d等参数对偏振陷波的中心波长、带宽以及截止带透过率的影响。针对417,497,582,685 nm中心波长,设计带宽为10 nm的p偏振窄带陷波结构,并用时域有限差分方法(FDTD)进行仿真验证,结果表明,矩孔阵列结构可以实现可见光谱段内窄带偏振陷波滤波。

扫描补偿系统是3DLIF水体测量系统中实现大尺寸平面激光等光程扫描的关键部分，决定了平面激光光束在流体水槽中的定位精度；系统3 000 mm长的光程和500 mm宽的光源使定位精度难以保证。针对该问题，分析了扫描补偿系统中可能存在的误差因素和各项因素之间的影响关系，建立了相关误差模型并进行仿真分析，对得到的误差数据进行了多项式拟合，拟合结果显示，棱镜制造角差和平面反射镜绕z轴的俯仰为影响位置误差的主要因素；为了减小误差，进一步分析拟合结果，得到了两项因素之间的关系表达式，提出了以仿真结果指导装调来减小误差的方法。最终仿真结果显示，通过该方法使平面激光在水槽中的位置误差可以从0.618 mm减小到0.103 mm。

大孔径仿生复眼光学系统兼顾了凝视大视场的同时, 克服了生物复眼孔径小、视距短的缺陷。通过对仿生复眼视场拼接方法的分析, 研究了实际阵列周期与理论计算周期数的关系, 并提出了降低子眼系统密度的填补子眼法。通过研究球面固定本体设计中的几何关系, 建立了本体径向半径d与曲率半径R的数学关系, 提出了球面固定本体的设计方法, 完善了之前提出的仿生复眼视场拼接理论。通过实际的装调实验, 验证了设计方法的正确性。利用该方法可提高仿生复眼系统的集成性, 减小系统尺寸, 推动了仿生复眼光学系统的实际应用。