运动模糊图像点扩散函数（PSF）的精确估算是模糊图像复原的关键。为了提高PSF参数估计的准确性，消除频谱图中央亮线对模糊角度估计的干扰，提出一种运用窗函数来提高PSF参数估计精度的方法。对运动模糊图像进行二维离散傅里叶变换和对数运算，计算图像的功率频谱图，对频谱图像添加窗函数Hanning，对处理后的图像进行中值滤波平滑处理和二值变换处理，再结合形态学算法和Canny算子边缘检测对频谱图进行优化，最后通过Radon变换，得到模糊方向。根据模糊方向结果，在模糊角度方向上对运动模糊图像的频谱图进行Radon变换，分析负峰值之间的距离，得到暗条纹间距，根据暗条纹间距与模糊长度之间的关系，求出模糊长度，从而完成两个点扩散函数参数的估算。结果显示，与现有算法相比，所提算法提高了参数估计的精度，复原时产生的振铃和伪影现象减少，充分利用图像信息的同时操作简便。

快速、精确地对粒子进行三维定位在生命科学、材料科学、工业检测等领域具有重要的应用价值。传统的粒子定位方法由于运算量繁重, 难以满足快速、精确的需求。文章提出了一种新的基于相位掩模的粒子三维定位方法。采用Fienup优化算法设计位于4f系统频谱面上的相位掩膜, 针对不同深度的点光源获得一系列点扩散函数; 结合粒子位置和所成图像进行神经网络训练, 可在8 μm轴向范围内经单次测量实现目标粒子在三维空间中的高精度定位。两组模拟设计的数值结果表明所提方法能够快速高效地完成稀疏粒子的三维定位, 在细胞粒子成像定位等方面具有重要的应用价值。

现有基于迭代算法的超分辨显微技术通过收敛到极值的方式实现荧光显微镜的超分辨成像得到荧光图像中各点中心的精确值, 面临着图像数据处理过程较为复杂、对算力要求较高等问题。为了提高计算速度, 提出了基于线型回归的快速点扩散函数参数提取算法, 不需要涉及迭代过程。实验结果表明: 与现有能够精确计算出图像点中心位置和半高宽的对比算法相比, 虽然计算精度稍低, 但是该算法计算时间仅不到对比算法的20%。而且, 算法得到的计算结果可以作为更为精确的对比算法的初始参数, 能够使对比算法的整体计算时间降低30%。算法也可以作为一种实时的点扩散函数半高宽计算算法, 应用在显微镜自动聚焦中。

超透镜作为一种可在亚波长尺度灵活调控光场的人工微结构, 近年来在光学成像领域受到了广泛关注。在超透镜成像系统设计中, 通常只根据焦距和工作波长设计超透镜, 而不考虑成像过程, 这往往导致整个系统成像质量不佳。为提升成像质量, 文章通过将超透镜参数设计和图像恢复算法两个过程同时纳入成像系统的设计过程, 提出了一种联合优化方法来实现基于超透镜的高分辨率成像。方法不仅对超透镜参数进行了相应的优化以获得比较理想的点扩散函数, 还实现了2倍于输入图片分辨率的高质量图像重建。

针对通过微透镜阵列通光孔径的光束在不同条件下的填充问题，利用填充因子来表征微透镜阵列系统光瞳位置处光束的填充率，并分析其对系统探测距离、点扩散函数和光学传递函数的影响。基于近轴光学模型，构建了快速计算微透镜阵列扫描光学系统填充因子的数学模型，并提出一种系统设计方法。利用该方法设计了微透镜阵列扫描光学系统，所设计系统的实验结果与理论计算结果吻合，表明该系统的性能良好。

针对传统衍射透镜在可见光波段工作波长单一、色散严重等问题，提出一种能同时在多个波长工作的衍射透镜的设计方法，该设计方法可以让衍射透镜在几个波长处具有相同位置的焦点，解决了传统衍射透镜在成像时焦点偏移的问题，将所设计的透镜命名为多波长衍射透镜。通过最小化一个目标函数来寻找衍射透镜表面每一个位置的最佳微结构高度，该目标函数描述了多波长衍射透镜在工作波长处的复透射函数与传统衍射透镜的复透射函数的偏差。基于该方法设计了适用于三波段的衍射透镜，并采用标量衍射理论进行仿真分析，结果显示其在设计波段内具有良好的消色差效果。

为消除单层衍射元件在可见光宽波段中低的衍射效率对成像质量的影响，根据探测器的量子效率，提出了设计波长的选择方法，构建了可见光宽波段折衍混合系统受衍射效率影响的点扩散函数（PSF）模型。使用构建的PSF模型进行图像复原，提高了折衍射混合系统的图像质量。为了验证所提方法的有效性，将单层衍射光学元件引入目前已有的专利物镜系统中进行优化设计，优化后的系统中不仅光学元件的数量得到了减少，还将波段范围从486.1~656.3 nm扩展至400.0~800.0 nm。利用所提方法对波段范围扩展后的低衍射效率图像进行复原，复原后的图像质量不论在主观上还是客观上都有明显提升，这说明所提方法可用于含单层衍射元件的可见光宽波段系统设计。