传统的迈克尔逊干涉仪只能简单地呈现光的干涉图像，并不能生动体现光的波动特性及其形貌特征，且测量过程繁琐。针对这些问题，提出了一种基于数字全息技术的新型迈克尔逊干涉仪实验装置。该装置采用2个CCD相机代替传统迈克尔逊干涉仪中的平面反射镜，并引入与球面光相干的平面参考光与球面光发生干涉，利用数字全息技术直接获取2个CCD记录面上的球面光复振幅信息，然后通过最小二乘拟合获取球面波参数，并对球面光复振幅进行解调得到居中后的球面光复振幅，最后通过数字干涉的方法实现两球面光的干涉。实验结果表明，该装置能实时生动地显示入射球面光的三维图像和两球面光的干涉图像，同时根据拟合得到的参数能便捷地测量透明等厚介质的折射率，实验中测量了3种不同材料的折射率，其误差均能控制在±5%以内，有较高的测量精度。

提出了一种光场相机波前传感器的成像模拟方法，该方法将微透镜阵列等效为一个相位掩膜，考虑了微透镜之间的干涉效应。数值模拟显示，不存在波前畸变时，光场相机的波前斜率输出不为零，降低了波前重构精度；光场相机波前传感器的线性度随着微透镜尺寸的减小而提高，然而存在一个与波前畸变程度有关的最优微透镜尺寸，使波前复原精度最高；与哈特曼波前传感器相比，在国内典型大气条件下，光场相机的波前重构精度略低。

数值再现像相位的准确性直接影响到数字全息检测的结果。为了找出再现过程中存在的相位畸变并采取相应的方法达到自动补偿，对无透镜傅里叶变换数字全息中的相位补偿问题进行了研究。因为经过单次傅里叶变换法进行数字波面重构时，存在一个附加的二次相位因子，该附加因子造成了再现像的相位畸变。采用最小二乘曲线拟合方法，通过多剖面计算得出数字相位掩膜进而对相位分布进行校正，并进行了理论分析和对比实验验证。结果表明，与常用的二剖面方法相比，能够对相位畸变进行更好的校正。这一结果对相位补偿问题的研究是有帮助的。

介绍了目前最常用的两种制作相移光纤光栅的方法，即分步曝光法(或遮挡法)和相位掩膜板移动法，对比分析了两种方法引入相移的物理机制，并利用传输矩阵法理论模型，数值模拟了两种制作方法下的相移光纤光栅透射谱，并分别进行了分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的对比实验。结果表明，分步曝光法制作相移光纤光栅时，相移量与光栅中无曝光段的长度及纤芯折射率调制量均有关，难以精确控制相移量的大小，并且存在偏振模竞争问题；而相位掩膜板移动法通过压电陶瓷直线微动台控制掩膜板和光纤相对位移，在光栅中引入相位变换，可以将相移量控制在0~2π范围之内，更容易实现π相移光栅的制作。

在托普利兹和循环矩阵的基础上，提出一种新的托普利兹-循环块相位掩膜矩阵可压缩双透镜成像方法.模拟实验结果表明:新的相位掩膜矩阵压缩成像可以在显著减少测量的同时，有效地捕获图像信息来重建原始图像;新相位掩膜矩阵的研究为确定性测量在压缩成像领域的应用提供了更多的支撑，在拥有原托普利兹和循环确定性测量优点的同时，还拥有自身的块结构特点，可以进一步减少物理实现成本，为新的照相机的设计提供若干理论、计算和技术支撑.

压缩成像是压缩传感理论的一个重要应用领域.本文将确定性测量引入压缩成像，提出一种确定性相位掩膜可压缩双透镜成像方法.模拟实验结果表明，新的成像方法可以在显著地降低物理实现成本的同时，有效地捕获图像信息来重建原始图像.此方法改变了经典的模拟-数字转换的光学成像思路，减少模数转换开销，并有利于图像的传输和存储，可以为照相机的设计提供若干理论、计算和技术支撑.

为了实现对彩色图像的单随机相位编码，根据随机相位编码原理，提出采用单色点光源照射系统结合波长多路技术，实现了对组成彩色图像的三基色图像进行随机相位编码。理论分析和数值模拟显示，采用单色点光源照射系统，对彩色图像进行随机相位编码是可行的；同时由于系统装置的减少，有效地减少了由于随机相位掩膜所引起的相应光能损失和图像噪声。结果表明，这种方法在追求彩色还原度高的场合具有实用价值。

研究三次相位板的波前编码光学系统,发现在一定的条件下系统调制传递函数(MTF)对波前编码系统的离焦不敏感,才能得到波前编码系统的景深。对比传统光学系统的景深,得到波前编码系统的景深延拓扩展率的表达式。分析空间频率取值范围和三次相位板系数α,发现当α=20π时,波前编码系统可以将传统光学系统的景深扩大60倍以上。

波前编码技术能扩大非相干光学成像系统的景深.根据传统相位掩膜板的设计原理,从两个方面对原有的相位掩膜板表达式进行扩展.由此提出了两种新的设计方案:"多项式"方案和"高次方"方案.前者是在原有的公式中加入了x平方项,而后者是将原有的高次方指数拓展到小数形式.将这两种新系统进行模拟计算,得到了相关的调制传递函数(MTF)数据和三维图,结果显示MTF随离焦量变化很小(当u=1时,均方差分别为0.0027和0.0021),而且不会出现零值,跟传统方案MTF差值分别在0.05和0.04以内.由此说明新方案也能实现扩大光学系统景深的目的.

如何增大非相干光学成像系统的焦深是应用光学研究领域的热点问题.本文对采用高次非球面光学掩模板与图像处理相结合增大成像光学系统焦深的新方法进行了深入分析,建立了大焦深成像系统仿真实验模型,并进行了大焦深成像系统仿真实验.实验结果证明了该方法在维持原相对孔径的同时使光学系统在较大的离焦范围内有好的成像质量.实际应用中还要综合考虑模板参量、信噪比等关键因素.