为了提升激光无线能量传输系统光能传输效率，避免使用准直镜头导致在数百米距离处接收端光斑边界模糊和照度均匀性差现象的发生，开展了基于共轭成像原理的可调焦发射光学系统研制。首先理论分析了准直法和共轭成像法的设计原理，然后针对光纤输出的808 nm半导体激光光源，采用共轭成像法设计了焦距550 mm、口径260 mm的发射光学系统，通过光纤端面的移动实现调焦设计，分析了不同调焦距离下光纤端面的移动量，并与准直法设计结果调焦后对比，在200 m~1 km处的波像差明显较小。利用Lighttools软件模拟对比了调焦前后的照射光斑，验证了调焦的作用。模拟结果显示，通过对基于共轭成像原理设计的发射光学系统增加调焦机构，可在不同距离处得到清晰的光斑边界。最后对激光发射光学系统进行了加工，经测试，波像差RMS为0.092λ(λ=632.8 nm)。结果表明：激光无线能量传输系统使用基于共轭成像原理设计的可调焦发射光学系统可获得边界清晰、更加均匀的照明光斑。

对于恒星光斑成像，传统的梯度评价算法在重度离焦情况下梯度细节薄弱，难以识别正确的调焦方向。为了实现跟星系统对恒星的快速成像和可靠跟踪，建立了针对恒星成像特征进行评价的自动调焦系统，对系统的聚焦评价算法、自动调焦结构以及自动控制系统进行研究。通过跟星系统成像的灰度分布情况分析光斑图像梯度特征在正焦和离焦时的区别。根据恒星光斑成像灰度级差异变化的特点，将背景值纳入评价贡献，在传统的梯度评价函数中加入光斑信号灰度差异贡献。设计适用改进算法的调焦硬件结构和系统结构，利用步进电机和调焦底座组成调焦组件，通过计算控制单元驱动调焦组件实现自动调焦系统。利用搭载调焦系统的跟星装置进行实验和分析。实验结果表明：自动调焦装置能够在跟星系统中稳定地进行调焦工作，且改进算法相对于传统梯度算法有着更好的调焦方向性，在保持传统梯度算法67%灵敏度的同时，将局部极值点减小为0。改进算法不受梯度细节薄弱影响，能够在不同离焦程度下保持较好的调焦方向性和正焦灵敏性，跟星系统在搭载自动调焦装置后能够快速搜索合适焦距并进行大气光学特性测量。

十字丝目标在CCD上的成像，一般受到环境光和光路的影响，不同位置的焦距产生的十字丝图像会存在边缘模糊和离焦的情况，使十字目标的中心点位置提取受到严重影响，传统的Sobel算法忽视边缘信息，并且容易受噪声影响，因此提出改进Sobel算子图像清晰度评价函数与粗细调焦结合的变步长两段式快速搜索自动调焦的方法。该方法首先利用图像的空间域评价图像清晰度，其次利用根据光学设计选用的两段式调焦方式。第一步进行粗调，先快速找到正焦位置附近，然后进行细调，直至找到正焦的位置。实验表明，该方法与其他算法相比，自动调焦失败率为2%，调焦时间为1242 ms，调焦行程在−25~+30 mm之间。通过该算法将图像清晰度评价函数与两段式调焦方式结合进行自动调焦，准确性高，实时性好。