常规的尺度不变特征变换（SIFT)图像特征提取方法难以提取多聚焦图像离焦模糊区域的特征，使得图像间存在局部、少量的公共特征，导致多聚焦图像配准精度差，严重影响后续图像融合和三维重建质量。在分析图像离焦模糊区域特征提取不确定性的基础上，提出了一种多聚焦图像离焦模糊区域的SIFT特征提取方法。首先提取多聚焦图像聚焦清晰区域的SIFT特征，再利用光流跟踪提取对应离焦模糊区域的SIFT特征，避免了在离焦模糊区域直接提取SIFT特征的不确定性。实验结果表明：提出的方法在离焦模糊区域具有良好的SIFT特征提取能力和提取精度，能实现多聚焦图像SIFT特征匹配数量显著增长，SIFT特征提取的误差为0.03~0.39 pixels，优于现有方法的0.21~1.71 pixels。降低了离焦模糊区域SIFT特征提取的不确定性，为多聚焦图像精确配准奠定了基础。

为了提高激光雷达测距的动态范围，解决高转速扫描激光雷达测量远距离目标时的脱靶问题，提出了探测器偏离焦平面的方法。对远距离回波脱靶现象、探测器在焦平面径向和轴向上偏离的作用原理、回波光斑在焦平面附近的空间能量分布进行研究。根据目标距离、激光扫描线转速、焦距和离焦量，分析回波光斑中心相对于光轴的径向偏离角和径向偏离量。当不同距离回波的像平面、光学系统焦平面和探测器靶面之间的相对位置变化时，分析了回波光斑尺寸在探测器靶面的变化规律。考虑激光高斯光束的能量分布、光学系统孔径光阑、衍射和离焦的影响，分析了回波光斑在探测器平面的能量分布以及探测器靶面的收光率。最后，通过数值仿真和实际测试验证了探测器在偏离焦平面后对不同距离回波的收光率的变化规律。实验结果表明：在75 Hz四棱塔镜扫描方式下，通过调节径向偏离能测到的最远目标距离从约800 m提高至约1 300 m；通过调节轴向偏离，保证远距离回波收光率基本不变的情况下，5 m目标的收光率可降低约70%。该方法基本解决了远距离回波脱靶问题，提高了测距动态范围。

为了产生半径可自由调控的聚焦环形激光且确保离焦后光束强度仍均匀，本文提出一种透射-反射式组合的环形光光学系统设计方法。对于透射式系统，基于等能量分割原理，建立入射光与出射光投射高度的映射函数，优化透镜的各项参数，将入射的高斯光先整形成平顶圆形光，实现光束强度均匀化。反射式系统通过调整焦面环形光直径调控范围、工作距离等参数，结合几何光线追迹原理，计算圆锥反射镜、抛物柱面镜及动镜的各项参数，将平顶圆形光再整形成环形光。实验结果表明：当动镜半顶角为16°时，所设计系统能够实现聚焦环形光半径在15~30 mm范围的自由调控，尺寸误差不超过0.05 mm，离焦后强度均匀度达到84%。该设计方法无需更换系统镜片即可兼顾强度均匀性和尺寸自由度，可操作性好，产生的环形光加工精度和效率更高。