烟草行业高端产品规模的扩大与消费者对产品质量需求的提高，给烟草在线检测技术带来了巨大挑战。针对烟草生产过程中烟丝异物难以剔除，影响卷烟口感、烟草叶片病情害种类繁多且病情复杂、卷烟外包装瑕疵难以识别等问题，传统人工在线检测方法效率低下，且正确率难以保证，无法适应我国烟草行业的高质量发展。在阐明基于机器视觉的烟草在线检测原理的基础上，围绕视觉检测原理和深度学习模型两个方面系统地阐述烟草在线检测技术的研究现状与最新进展，结合现有典型应用分析不同视觉模型以及深度学习模型检测方法的优越性和局限性，进而探讨基于机器视觉的烟草在线检测技术的发展趋势和前景。

针对目标场景三维重建难以兼顾视场范围和空间分辨率的问题，提出了结合相机和旋转双棱镜的成像系统。该系统可在不同双棱镜转角下形成虚拟相机阵列，同时利用导轨移动调整阵列虚拟相机的成像位置，还可在大视场范围内实现分区域的多视角图像采集。结合相机投影模型和双棱镜折射模型，提出了一种利用几何变换关系的阵列虚拟相机内外参数标定方法，建立了基于三角测量原理的分区域三维点云获取方法。在此基础上，提出了多视角图像重叠区域的预先定位算法，结合迭代最近邻点算法实现由粗到精的分区域点云配准融合。实验结果表明，所提成像系统可以实现大范围高分辨率的三维目标重建，且采用由粗到精的点云配准算法，在提升运算效率的同时还能保证三维重建精度。

机器视觉应用场景复杂化和功能需求多元化给三维成像技术带来巨大挑战。针对复杂环境及受限空间的目标重建和场景感知问题，结构简单且性能可靠的单相机三维视觉成像技术能够提供重要的解决途径。在阐明单相机三维立体视觉成像理论模型的基础上，根据相机运动情况以及采用的反射、折射或衍射等附加光学元件的情况，分类介绍了单相机三维视觉成像系统组成、基本原理和实现方法。从视场范围、空间分辨率、视角灵活性、动态响应性、环境适应性等角度，分析了现有单相机三维视觉成像方法的优越性和局限性。围绕三维重建精度及成像质量提升问题，回顾了相机与附加光学元件未对准参数的主要标定方法。结合单相机三维视觉成像的技术挑战和应用前景，展望了其在实现大视场高分辨率、高动态高实时性、复杂环境适应性等方面的发展方向。

物体位姿估计在机器人、无人驾驶、航空航天、虚拟现实等领域有着广泛的应用。主要围绕主流测量系统及方法展开论述，对比分析各类测量系统和方法的差异、优势与缺陷，综述其研究现状、前沿动向和热点问题。相比之下，基于虚拟相机的位姿估计系统具有突出的系统集成度，同时兼顾高精度和低成本；基于深度学习的方法在场景和目标适应性方面表现突出，有望进一步广泛应用于工业场景。最后，从感知场景和对象出发，分析当前位姿估计技术面临的诸多严峻挑战，展望位姿估计技术的研究重点和方向。

支撑方式对大型光学元件的镜面变形及应力集中具有重要影响。以大口径、非均匀质量分布、二维旋转棱镜为研究对象，综述了多点支撑和面支撑方式，提出了可调分段面支撑方法，并给出具体的方案设计。系统地分析了面支撑方式下棱镜的运动过程，得到最危工况。采用两步优化方法对该工况下的支撑夹角进行优化，优化后棱镜运动过程中的最大变形峰谷值与最大等效应力值相比优化前分别减小了7.40%和11.45%，支撑效果得到了明显改善，验证了该支撑方式的合理性及可行性。

提出一种新型结构的通用型干涉仪, 用于实现不同结构、不同形状的光学透镜、光学晶体等元件的快速目视观察与精确测量。该干涉仪利用可相对旋转的双光楔对条纹周期进行动态调制完成实时检测。以两块雅敏干涉平板为主体结构, 在双光路中各自放入一对楔角完全相同的光楔对, 建立条纹周期和条纹倾斜方向与光楔对相对旋转角度之间的关系, 并采用光学晶体畴反转实时检测验证干涉仪的测量性能。试验结果表明, 干涉仪的相位检测精度约为0.2 rad(λ/30), 条纹周期(一对黑白条纹)为0.105~5.993 mm/pair, 光路中光楔对的相对转角可在0~179°调节。干涉仪具有完全对称的光路结构, 由于较高的稳定性和抗干扰能力, 可针对不同类型光学元件的结构特点进行条纹周期的实时调制, 并可达到较高的检测精度。

对Schofield等提出的快速傅里叶变换(采用4次傅里叶变换和4次逆傅里叶)解包裹算法和Volkov等提出的相位重建算法(仅采用两次傅里叶变换和一次逆傅里叶变换)进行了讨论,提出基于离散余弦变换的快速相位解包裹算法.指出前两种算法在处理一般带噪音的模拟相位图时具有明显的优势,其处理结果非常接近理想值,而在处理相位变化剧烈或不连续区域的实验相位图(采用四步相移法测量雕刻佛像的三维面形)时出现较大误差,甚至无法处理,而基于离散余弦变换算法能很好的解决这个问题,并且拥有比前两种算法更快的运算速度.在实际应用中,针对不同的相位图把Schofield所提出的算法与基于离散余弦变换的算法结合起来,可以解决大部分相位解包裹问题.

基于矢量折射定理推导了光束经过正交双棱镜后的偏转表达式．给出了装置的主要设计参量；用数值模拟的方法分析了主要误差项，求出了总误差和实际准确度指标．结果表明，光束在水平张角及垂直张角500 μrad内可实现准确度优于0．8 μrad的偏转，偏离准确度主要受随机误差影响；反映到棱镜转角上的总误差为12．72 arcsec，引起的光束偏离误差为0．365 μrad，大于系统读数分辨率0．0387 μrad，且小于光束偏离准确度指标0．8μrad．

以精密光束偏离装置的棱镜组件为有限元模型，进行了光机热集成分析．对棱镜组件的结构强度进行了校核，分析了机械载荷作用下的镜面变形；通过模态分析，给出了装置的动态特性和镜面面形振动幅值的变化情况；最后对棱镜的热弹性变形进行了分析，对棱镜的光学性能进行了评价．结果表明：棱镜组件的最大变形在10 nm量级，最大应力为0．403 MPa，应力和应变相对于结构的准确度要求和材料的许用应力具有较大的裕度；前后棱镜组件的固有频率都大于550 Hz，装置具有良好的动态性能；通过对比棱镜在热－结构耦合分析和机械载荷下的分析结果，说明热效应对棱镜表面变形的影响远远大于机械载荷的影响．装置使用时必须采取严格的温控措施．

基于矢量折射定理,研究了透射光束通过双棱镜实现微弧度量级偏转的设计原理,解决了星间激光通信精跟瞄检测的难题。推导了正交双棱镜实现光束偏转的精确公式,提出以水平张角和垂直张角表达光束视场,并说明了单棱镜实现光束偏转的一般情况。根据设计指标和计算结果确定了棱镜的主要参量,进而对光束的偏转结果进行了数值模拟。最后的实验结果与模拟结果基本一致。结果表明：取棱镜棱角α为4°时,棱镜每旋转1′,透射光束变化约1 μrad;分别控制双棱镜在其最小偏向角一侧小角度偏转,可以实现光束在水平方向和垂直方向500 μrad范围内的精确扫描,装置的扫描精度可以达到0.2 μrad。