利用衍射光学元件消色差和对波面进行任意整形及自由曲面光学元件校正像差的特性, 将衍射光学元件和自由曲面光学元件应用于传统可见光光谱成像光谱仪成像系统中, 提出了一种新型的可见光光谱成像光谱仪成像系统, 基于衍射光学元件独特的负色散特性, 用一片折射/衍射混合光学元件代替传统的双胶合透镜来实现消色差, 基于自由曲面光学元件的多自由度特性, 在系统中引入两个自由曲面光学元件对系统中的像差进行有针对性的校正, 针对具体的设计实例给出了详细的设计步骤, 设计结果表明, 在相同的参数指标前提下, 新型系统仅为4片式结构, 和传统系统相比, 重量减轻22.9%, 总长缩短26.6%, 最大口径减小30.6%, 调制传递函数值最大提升为1.0视场, 调制传递函数值提高0. 35, 最大畸变减小1.6%, 最大垂轴像差减小56.4%, 轴向色差减小59.3%, 新型系统各方面的性能都得到了较大的改进, 为现代高性能、轻小型可见光光谱成像光谱仪成像系统设计提供了一种新的途径。

结合谐衍射光学元件特殊的消热差以及对波面进行任意整形的特点, 针对现代最先进的像元尺寸为30 μm、 像元数320×240的红外双色探测器, 提出了一种轻小型双光谱超宽温度红外探测成像系统方案, 利用折射/谐衍射结构实现了超宽温范围内的被动式消热差红外成像探测, 仅用三片镜子的单结构就可实现系统在3.8～4.2和8.8～11.2 μm双光谱处在-120 ℃～200 ℃温度范围内同时探测。 系统仅使用锗和硒化锌两种材料, 引入了一个非球面和一个谐衍射面, 实现了消热差、 消色差和结构简单轻量化, 设计结果表明, 该系统在-120～200 ℃温度范围内, 3.8～4.2和8.8～11.2 μm光谱处的最大均方根半径值分别为19.07和17.75 μm, 小于红外探测器的像元尺寸30 μm, 在红外探测器两个像元内, 3.8～4.2和8.8～11.2 μm光谱处的能量集中度分别优于88.7%和82.4%, 成像质量良好, 方案工程实现性好, 设计方法和设计结果合理可行。

利用折射/谐衍射结构设计了超宽温范围内的被动式消热差红外物镜系统.该系统由三片镜子组成，使用锗和硒化锌两种材料，引入一个非球面和一个谐衍射面,实现了消热差、消色差和结构简单轻量化.实验结果表明: 在焦距为54.68 mm，-120～100 ℃温度范围内,系统可以在3.8～4.2 μm和8.8～11.2 μm光谱范围同时工作，且光谱范围的调制传递函数分别优于0.42和0.35，成像质量良好，适用于像元尺寸为30 μm、像元数320×240的红外双色探测器.

针对现代最先进的像元尺寸为15 μm、像元数640×480的中红外焦平面大面阵探测器, 设计了一种全球面轻小型高分辨率温度自适应夜视成像系统, 系统工作波段为3~5 μm, 全视场角为8.58°, 相对孔径为1/2, 焦距为80 mm, 四片式结构, 使用锗、硒化锌和硅三种材料, 系统采用全球面结构, 避免了以往该种系统中使用衍射面或非球面, 大大降低了加工检测难度且成本低。设计结果表明, 该高分辨率温度自适应夜视成像系统具有结构简单、体积小、分辨率高、成像质量高等特点, 满足设计要求, 可用于机载光电探测和跟踪系统。

利用折衍混合结构设计了超宽温范围内的光学被动式消热差Petzval物镜，系统工作波段为3.2～4.5 μm，视场角为8.42°，焦距为95 mm，后工作距为60.5 mm。使用锗和硅两种材料，引入了2个非球面和1个衍射面,实现了消热差和结构简单轻量化，该系统在－80～200 ℃范围内,调制传递函数(MTF) 优于0.7，接近衍射极限,成像质量良好，该系统适用于像元尺寸为35 μm、像元数320×240的非制冷红外焦平面阵列探测器。

设计了一个大扫描视场的折衍混合红外共形光学系统，共形成像系统工作波段为3.7～4.8 μm，相对孔径为1/2，焦距为120 mm，扫描视场为±40°。由于共形光学系统具有大偏心、大倾斜光学特性，像差校正难度较大，设计中采用固定校正镜和折衍混合混合结构校正了共形光学元件的像差，引入了非球面和衍射面有效消除了各个扫描视场的像差。设计结果表明：光学系统光阑与探测器冷光阑重合，满足100%冷光阑效率。在±40°扫描视场范围内，共形光学系统的光学传递函数曲线接近衍射极限，成像良好。

针对水下复杂环境情况,提出了一种快速实时检测水下运动目标的算法.在分析水下图像特性的基础上,对图像序列进行帧间差值运算得到差分图像,选择合适的阈值,对差分图像进行二值化和图像分割算法.结合差分图像中目标是由于待检测目标运动形成的特点,提出了衡量二值目标形状的线度指标的定义,可以描述目标的形状,从而实现快速实时检测水下运动目标.

针对机器视觉中存在的离焦现象，采用理论与实验相结合的方法分析了离焦成像对面积测量的影响.实验表明,当离焦量（物面偏离对准平面的距离）为10 mm时，面积相对误差达31.3%.根据图像最大梯度值与离焦量之间的关系提出了一种误差修正的方法.首先标定图像最大梯度值与离焦量之间的关系，然后求待测图像的最大梯度值，由最大梯度值求出离焦量，最后根据离焦量对图像面积进行修正.结果表明,当离焦量小于10 mm时，经修正后图像面积相对误差小于3.8%.

提出了一种利用单目视觉测量目标距离的方法.当目标与光学系统的距离变化时,其共轭像面的位置也发生相应的变化,而摄像头的CCD是固定的,因此在CCD上得到的是模糊度不同的图像.利用小波变换对得到的图像进行处理,检测模糊图像边缘的宽度,再利用三次样条插值运算计算出目标至光学系统的实际距离.实验结果表明该方法是可行的.

介绍了一种水下反恐微光成像系统，并对其中的关键技术作了论述。根据海水的光学特性及微光成像环境，设计了具有针对性的水下专用镜头，彻底校正像差并消除了水介质的影响。采用大型力学分析软件ANSYS对系统水密舱进行了有限元分析，使系统的结构设计简单可靠。系统成功通过2006年青岛帆船赛的预演测试。试验证明：在300 m的水压下系统稳定可靠，成像质量较高，能对危险物进行及时预警，达到水下反恐的目的。