光谱共焦显微成像（CCM）技术基于色差共焦原理，利用不同波长的焦点位置不同实现深度测量，并使用共聚焦设置滤除离焦光以及杂散光从而提高信噪比。首先，介绍CCM的基本原理以及不同扫描方案。然后，对CCM的发展历程进行梳理，并阐述CCM的国内外研究进展。针对光学设计、信号产生模型、光谱数据处理、减小串扰等关键问题，对相关的研究方案进行了总结。凭借无损检测、高分辨率、高信噪比、层析成像等诸多优势，CCM技术在生物医学、工业检测等领域得到广泛应用。

动态光散射技术在微米与亚微米级颗粒系粒径分析领域中具有广泛应用，但缺乏非球形颗粒系粒径分布（PSD）的反演模型和算法，限制了其在生物医疗等领域中的应用。基于机器学习方法，设计了基于广义回归神经网络（GRNN）的PSD反演模型和算法，可应用于多角度动态光散射法的粒径分析场景中。以生物医疗领域中的双凹圆饼形和椭球形血红细胞作为典型的非球形颗粒物模型，通过仿真实验测试了所设计的算法。实验结果表明，与传统的正则化Tikhonov算法相比，所设计的反演算法粒径分析准确性更好且耗时更短。对多角度动态光散射法中的散射角度数量进行了仿真实验。结果表明，仅使用2个散射角度处获得的数据依然能实现非球形颗粒系粒径分布的准确反演。

粒径测量技术广泛应用于能源、材料、医药、化工、冶金、电子、机械、轻工、建筑等诸多领域, 对于改善产品质量、提高生产效率、降低能源消耗、实现精准医疗、监测环境污染等具有十分重要的意义。基于光学原理的粒径测量方法具有响应速度快、粒径测量范围可达纳米级等优势, 但也存在一些问题, 需要不断完善。总结了基于光学原理的3类粒径测量方法, 即显微镜法、光散射法、激光成像法; 介绍了各种方法的测量原理和应用领域, 对比分析了不同粒径测量方法的测量范围和优缺点。在此基础上对粒径测量方法的发展方向进行了展望。

现有的光谱共焦色散物镜存在测量量程小的问题，在工业检测中的应用受到较大的限制。针对这一问题，采用四片球面透镜设计了一种大量程的色散物镜，在500～700 nm波段内，测量量程达到9.962 mm。在大色差的情况下对球差进行了优化，并利用设计的色散物镜搭建了光谱共焦位移测量系统，开展了性能评估实验。实验结果表明，系统实现了10 mm的测量范围，测量标准差为0.5 μm，平均绝对误差为0.6 μm。另外，对不同材料的样品进行了测量，结果表明，系统对不同材料样品具有一定的适应性。该设计实现了较大的测量范围，可以满足各类复杂对象的工业检测需求。

从地铁隧道三维点云数据中分割出物体的点云是自动化检测地铁隧道病害及重建地铁隧道三维模型的关键步骤。由于某自动化检测系统的结构特点,使用其采集的三维点云数据计算点云法线向量和曲率时准确度不高,导致一些常用的三维点云分割算法,比如一种改进的区域生长分割法不适用于该检测系统采集的点云数据。为了分割某自动化检测系统采集的三维点云数据,设计并实现了一种基于密度聚类的分割算法。这种算法避免使用不准确的法线向量和曲率,克服了某自动化检测系统的缺点,并用实际三维点云数据对比了区域生长分割法和基于密度聚类分割算法的分割结果。

通过调整模块的工作参数,提出了一种对距离选通成像系统性能进行在线优化的方法。将眼图参数视为一个随系统可调参数变化的随机变量,采用高斯过程回归方法拟合此变化关系,并在学习过程中引入参数优化步骤,从而在更快速地从高维参数空间中学习到随机过程变化特征的同时优化系统参数。实验结果表明:所提方法可在线优化系统参数配置,提高距离分辨能力,揭示模块参数配置对距离分辨能力的影响,可为成像系统的设计提供一定依据。

本文通过流体力学及COMSOL等仿真软件分析, 以PDMS为材料, 设计制作了用于捕获两个球形颗粒样品的微流控芯片, 并基于光电倍增管(PMT)和电动位移平台, 搭建了角度扫描式大动态范围散射光测量装置。该系统可以快速捕获两个球形颗粒, 在颗粒捕获后对微流控芯片内沟道与外轮廓进行折射率匹配, 持续测量实际捕获颗粒的1°至170°的散射光。对23.75 μm、31.10 μm、40.01 μm三种粒径的聚苯乙烯标准颗粒样品进行了实验研究, 并多次重复测量同一粒径双颗粒的散射光分布。基于微流控芯片的双颗粒体散射函数测量方法可以稳定的捕获、释放双颗粒, 实验操作简单且具有较好的重复性, 在颗粒物体散射函数研究方面具有很大的潜力。

为了使船舶能够更加准确地入港和避免发生碰撞,提出了一种辅助船舶入港的发光二极管(LED)导航系统。该系统采用不同闪烁频率的3种颜色灯光对目标水域进行分区,使照射区域内的船舶可以通过灯光的颜色和频率来准确判定其位置和方向,进而辅助船舶快速准确地驶向目的地。为了实现该导航系统,设计了一种大功率LED的发射光学系统,通过矩形集光器和线性菲涅耳透镜使LED的出射光束为矩形;同时设计了控制光源闪烁的电路控制系统,通过单片机、数模转换器和放大电路实现对光源闪烁频率的调制,并根据设计的系统制作出样机,在木兰湖进行验证实验。实验结果表明:制作的光学系统样机与设计仿真结果吻合,出射光束在水平方向上的发散角为6°;所设计的导航系统利用颜色对目标水域分区,从而对区域内的船舶进行导航。

激光雷达强度值能在一定程度上反映目标反射特性, 但由于受到距离、入射角、大气衰减效应等因素的影响, 并不能直接作为目标分类的重要特征。针对常用车载扫描激光雷达, 在对激光雷达强度值进行理论分析的基础上, 通过实验的方式固定了其他因素对强度值的影响, 建立了激光雷达强度值和表征目标反射特征参数间的关系模型。经过实验研究发现, 半椭圆模型形式的角度因子能更好地描述目标漫反射强度值随入射角的变化规律, 激光雷达强度值与接收功率间为线性转换规律; 在盲区范围外, 目标漫反射强度值随距离的变化遵循负指数规律。在实际应用中, 可以结合雷达运动来获得同一目标在不同相对位置处的强度值, 并将其代入模型中反演与目标反射特性相关的参数, 以实现对不同目标的区分。

提出了一种水中悬浮颗粒的三维体散射函数测量方法, 采用抛物面镜结合传感器探测方式, 同时获取了半球空间内多个散射面所对应的体散射函数。搭建了三维体散射函数测量装置, 采用粒径为57~954 nm的标准聚苯乙烯颗粒作为样本, 获得了方位角0°~180°对应的多个散射面内的水中颗粒体散射函数, 测量的散射角范围为18°~160°。实验结果与计算结果吻合, 验证了利用该装置对水体中粒径小于1 μm的悬浮颗粒的体散射函数进行测量的可行性。