为了提高微光成像质量, 实现针对动态目标或变化场景的实时性成像的需求, 基于偏振成像原理, 并结合孔径分割技术设计了微光偏振实时成像光学系统。光学系统采用共口径四通道阵列结构, 将4个待测偏振态分成4个独立的成像通道, 通过子孔径成像镜组对探测器靶面进行四象限分割成像, 每个偏振通道通过放置起偏状态不同的偏振片获取目标不同偏振态的强度图像, 从而实现实时偏振成像。光学系统的设计焦距为100 mm、系统整体F数为1.2、工作波长范围为0.4 μm～0.85 μm、最低工作照度为1×10-3 lx、可输出1 080 pixel全高清图像。系统光学总长为167.5 mm, 单通道镜头的MTF值在40 lp/mm处全视场均高于0.57。

为实现高分辨率大动态范围的空间微光(LLL)成像,提出基于全局快门科学级互补金属氧化物半导体(sCMOS)图像传感器的数字域时间延迟积分(TDI)微光成像方法。通过推导数字域TDI成像数据处理方法,建立了系统信噪比(SNR)模型,提出了数字域TDI大动态范围成像方法,并分析了速度失配导致的调制传递函数(MTF)退化现象。实验结果表明,该方法能够明显提高微光成像质量,当数字域TDI积分级数为30时,系统SNR由未积分的5.04 dB提高到19.78 dB,动态范围比传统数字域TDI方法提升了29.54 dB,为实现高分辨率大动态范围空间微光成像提供了保障。

信噪比是微光成像系统的关键参数, 决定了成像系统的性能与成像质量。给出了互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)图像传感器微光成像系统的信噪比模型, 仿真计算了系统的信噪比与信号、噪声的关系。搭建了信噪比测试环境, 完成了系统信噪比测试实验。实验结果表明, 理论值与实测值一致。最后, 根据信噪比分析结果对给定系统进行了参数优化。计算结果显示, 优化后的系统在1 mLux照度下, 信噪比能达到4.5。信噪比的研究为基于CMOS微光成像系统的总体设计与优化提供了理论依据。

采用全固态微光成像器件是未来微光成像的发展趋势。介绍了2 种全固态微光器件EMCCD、In_{xGa1－xAs，分析了其成像性能，描述了其研究现状，对比了传统的真空光电成像与全固态微光成像性能指标，阐明了微光成像器件向着高灵敏度、低噪声、宽光谱响应和强适应能力方向发展。}

夜暗环境下，为了弥补人眼在能量、光谱和分辨能力等方面的局限性，利用雪崩光电二极管作为探测元件构建了光子计数成像平台。借助该平台设置环境照度为10-4 lx，采样时间分别取10 ms、2.6 ms和780 μs，探测到了目标采样点的光子数，从而得到了三组反映目标特征的光子计数图像序列。根据对探测目标判断的程度，应用多帧累加处理方法，可以在保证成像平台具有较高帧频的条件下，选择合适的累加帧数以实现对目标不同等级的探测。

在微光成像系统中，为了克服限制微光像增强器和红外成像器件灵敏度提高的技术瓶颈，应用了由探测器输出的光子个数推断出目标特征的光子计数技术。采用雪崩光电二极管作为探测器，将其工作状态设置在盖革模式下。通过分析和计算，雪崩光电二极管可以实现单光子数量级的高灵敏度探测。根据夜天光的光谱分布特点和典型目标的反射特性，仿真得到了在晴朗星光环境下雪崩光电二极管与绿色植被、混凝土和暗绿色涂层的光谱匹配因子分别为：0.4972，0.5021和0.4979。提高了夜天光近红外辐射的利用率，为构建以雪崩光电二极管为核心的夜视系统提供了一定的理论依据。

讨论了电子倍增CCD的噪音组成及各自的产生机理，在此基础上建立了电子倍增CCD的总噪音理论模型.按照信号倍增过程的随机性，推导了电子倍增CCD的过剩噪音因子并求出了增益趋向无穷大时的极限值.对电子倍增CCD相机进行了噪音测试，采集了不同增益下噪音的输出波形和频谱图.根据增益和噪音电压的函数曲线，结合理论模型对不同增益下的噪音组成进行了定性分析.结果表明：低增益时，电子倍增CCD主要受限于读出噪音，高增益时则为暗电流噪音和时钟感生电荷.

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。

随着CCD器件的发展，采用工业级CCD器件研制高性能制冷CCD成像系统成为一个重要的发展方向。从高性能CCD成像和高性能微光ICCD成像应用需求出发，研制了一种基于工业级CCD器件的高性能制冷型数字视频CCD成像组件；介绍了成像组件在高性能大面阵CCD器件、低噪声驱动电路、小型化低功耗制冷技术以及特殊的制冷腔结构等方面的设计特点，指出成像组件对进一步发展高性能CCD成像系统具有积极的促进作用，在**、工业、生物医学和科学研究领域具有广泛的应用前景。