光学稀疏孔径技术以其所具有的降低透镜加工面积、增大数值孔径和提升分辨率的能力被应用到超构透镜的设计和优化中。然而，目前稀疏孔径超构透镜的研究仅限于单波长，通常难以应用到宽波段成像领域。笔者基于波前编码和稀疏孔径技术设计了一种消色差稀疏孔径超构透镜。该消色差稀疏孔径超构透镜在加工面积降低至全孔径超构透镜25%的情况下，在可见光波段（400~700 nm）可实现与理想透镜一致的分辨率。该消色差稀疏孔径超构透镜既实现了对可见光波段的消色差，又解决了大孔径超构透镜的加工难题，具有加工成本低、消色差范围大、成像清晰等特点，在图像采集领域具有重要的应用价值。

光谱反射率维度高, 与光照和观察条件无关, 能够真实、 客观地描述物体的颜色信息, 由物体本身特性决定, 因此被称为物体的“指纹”。 但是, 光谱反射率数据量超过传统三色系统十倍以上, 这些巨大的光谱数据在存储、 数据处理及传递等方面造成巨大的负担, 花费太多的计算时间。 如果高维光谱可以通过数学变换方法映射到低维空间, 并确保低维空间能够更好地表示原始光谱所覆盖的信息, 可以有效地压缩多光谱数据, 提高基于光谱的颜色复制的处理效率。 针对主成分分析法平等地对待可见光范围的所有波长, 重建光谱仅仅是对原始光谱的数学逼近, 由于波长对颜色的重要性不同, 经常会导致光谱重建误差较小而色度误差较大的问题, 提出了一种基于光谱色差权重函数的多光谱降维算法。 使用主成分分析法将孟塞尔颜色系统Munsell维度降低到1维, 再恢复重建到31维, Munsell的原始光谱和重建光谱的平均光谱色差作为权重函数。 以NCS为训练样本, 分别以NCS、 Munsell和3张多光谱图像为测试样本, 分析和比较本文推荐的权重主成分分析法与主成分分析法以及另外4种权重主成分的性能。 以D65/2°和A/2°照明观察条件下的CIELAB色差和均方根误差(RMSE)分别评价测试样本的原始光谱和重建光谱之间的色度重建精度和光谱重建精度。 实验统计结果表明: 相对于主成分分析法, 无论测试样本是多光谱数据还是多光谱图像, 推荐的方法在牺牲一定光谱重建精度的情况下, 在D65/2°和在A/2°两种照明观察条件下的色度重建精度得到显著的提高, 而色度重建精度提高对于目前广受关注的基于光谱的颜色复制研究具有非常重要意义。 实验统计结果也表明本文推荐的方法的色度重建精度优于目前已经存在的另外4种权重主成分分析法。

针对现有色纺纱配色模型对纤维集合体呈色机理解释上表述模糊的问题, 对原液着色粘胶纤维集合体在纺纱过程中的颜色变化机理进行了探究。 实验纺制了36组不同混色比条纱样品, 利用欧式距离和光谱角距离分别量化各组不同状态纤维集合体间的光谱幅值差异和形状差异, 并以基于CMC(2∶1)公式的色差评价为对照, 结合基于类别可分比（CSR）公式的差异性判别准则对量化的光谱差、 色差大小作以横向比较, 分析了纺纱过程中纤维集合体形态改变对反射光量与单色光成分的影响, 其中, 在生条与熟条间, 样品CSRED和CSREcmc均值分别为2.87、 2.17, 表现近似, 且有30组样品对应CSRED>1, 23组样品对应CSREcmc>1, 光谱的辐射差异较色差表现更稳定, 在熟条与纱线间, dED和ΔEcmc有相同趋势的更大幅度改变, 全部样品CSRED和CSREcmc均大于1; 以上过程中, 样品光谱的形状差异均保持较小的尺度, 并条与纺纱前后, 分别有20组、 22组样品对应CSRSAD>1, 且其均值分别为1.69、 1.60, 并不随加工进行而发生显著变化。 由此得出, 在纺纱过程中, 因纤维排列和聚集态的重塑, 反射光的量(明度)呈减小趋势, 且气流纺阶段是发生变化的主要阶段, 而光质(色相)并不在此过程发生显著变化。 进一步地, 依据纤维的光反射理论, 即纤维的反射光的量主要受外反射光影响, 而色度主要受内反射光的影响, 可以得出纺纱加工主要影响了纤维的外反射光, 而对内反射光不具有解释力。 另一方面, 还验证了综合光谱幅值和形状特征的SAD-ED公式对色纺纱颜色差异的表征能力, CSRSAD-ED可分辨31组生条熟条样本, 可分辨全部条纱样本, 该方案较CMC(2∶1)公式更具敏感性和稳定性, 为色纺纱的颜色评价提供了新思路。

中红外热成像系统是通过探测物体本身的辐射进行成像，不需要外部光源。而传统的中红外热成像系统体积大，不利于小型化。本文基于传输相位理论，采用时域有限差分（FDTD）法，使用FDTD软件计算仿真，探究了不同的单元半径、纳米柱高度及单元周期对相位延迟及透过率的影响，并且针对不同的纳米柱半径，利用传输相位调控实现中红外（3∼5 μm）波长下全介质硅材料的宽带消色差超透镜设计。其数值孔径为0.24，仿真焦距值为147.3 μm，半峰全宽（FWHM）为8.11^{μm，透镜透过率达到70%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻、全波长聚焦效率可达到54%，而且为平面透镜，因此易于光学系统集成，在红外成像、红外夜视仪、红外遥感等技术中展现出广阔的应用前景。}

为实现大口径衍射光学系统宽波段成像，分析了传统衍射透镜基于Schupmann结构光路模型带宽增加带来的中继镜口径变大的问题，提出采用谐衍射透镜作为主镜构建大口径宽波段衍射光学系统，设计了口径为10 m谱段覆盖400~900 nm的大口径光学系统，中继镜的口径与传统设计相比减小了2.4 m。为验证该设计方法，设计一套口径为80 mm、光谱范围为400~900 nm的成像光学系统，并对该系统进行了成像实验，通过查看鉴别率靶图像无色差，验证了基于谐衍射透镜为主镜的宽波段成像设计方法，为大口径衍射光学系统设计提供了一种思路。