高压设备运行过程中会发生电晕放电现象，其危害很大。本文利用紫外放电检测新技术，融合采集到电晕和可见光图像，准确对故障点进行定位。采用遗传算法的投影寻踪理论，利用Delphi 软件对采集的紫外电晕图进行处理后作为分级数据，建立遗传投影寻踪等级模型，对电晕放电强度的量化分级研究。实验结果验证了该模型的合理性，测试结果也达到预期的结果，对放电故障检测有一定的实际应用意义。

针对批量微小型二维工件在视觉检测中角点的定位，提出一种渐近式分步提取方法。该方法以图像单像素轮廓上固有的几何关系为先验信息，首先在轮廓序列中锁定本次待测角点的存在区域，然后根据角点特征灵活设置响应函数检测角点，并对其精确定位及时排除伪角点，之后重新锁定区域。这一过程循环渐近，直至将所有角点检测出。实验结果表明，对同一工件不同位姿多次采像检测，角点间距的标准差在0.5 pixel 以内，重复性高。与Harris 角点检测、CSS 角点检测算法比较，对视场内杂质背景的抗干扰性强，定位准确、快速。该角点定位方法在微小型二维工件的大批量高速检测中，具有明显优势。

因为眩光与成像光线混叠的复杂性，使得对它的测量和评价一直是物理光学里的研究热点。本文设计了一套计算型视觉成像前调制处理双臂式实验系统来解决眩光与成像光线的物理分离，并针对金属表面镜面反射引起的镜头眩光完成测量实验。实验结果数据证明了提出的眩光测量方法的有效性。本方法为针对眩光效应的定性评价提供了参考性的量化依据。另外为视觉测量研究中因高亮光引起的镜头眩光去除问题提供了解决途径。

显微测量中倾斜会导致显微图像的变形。本文利用多光束改进传统的激光三角法，提出一种多光斑激光三角法检测光学成像系统倾斜角度和方向。首先利用双楔镜分离扩束后的激光光束，形成近似平行的四束光束；然后将四束光束同时投射到平面镜上，反射后利用CCD 接收到四个光斑。由于四个光斑间距的变化只与成像系统倾斜角度有关，对成像系统前后的平移不敏感，因此避免了平移带来的影响。通过计算四个光斑间距的变化可以补偿成像系统倾斜角度，减少倾斜所带来的图像变形。实验结果表明, 构建的多光斑激光三角法测量光路能够准确快速的检测出倾斜角度变化。该方法可以应用在固体核径迹检测、面型检测等要求检测小角度变化的领域。

光幕阵列测试射击密集度已在靶场得到应用，阵列的结构参数直接影响测试精度。本文针对双V 型六光幕阵列，理论分析了结构参数、弹丸入射角度及弹丸入射位置对弹丸速度测试精度和坐标测试精度的影响，并建立测试误差传播公式，通过MATLAB 仿真得到了各因素影响弹丸速度和坐标测试精度的规律和关系曲线。文中的结果为提高六光幕阵列测试精度和工程设计优化提供了参考。

基于物像频谱理论测量光学系统调制传递函数是目前能够快速检测近眼系统的方法之一，但由于在快速检测中各种参量会对检测结果产生明显影响，因而消除和补偿差量成为该方法能否成功应用的主要因素。本文重点分析了检测过程中误差来源，讨论了各种误差的影响大小及辨别清晰度的方法。针对对比传递函数测量的主要误差进行分析，结果表明：倾斜角度在±0.5°范围内，误差小于3%；并且亮度在0.6I~I (其中I 为CCD 在线性工作区内的最大亮度)，物距在±5 mm 范围内变化时，误差均小于1.5%。通过对实验数据的误差分析，既验证了实验方案的可行性，又对测量精度的提高有指导意义。

针对五步相移干涉测量，提出了一种新的质量图用于引导路径预测区域增长算法。首先基于分支设置处理残差点，直至相位图中所有残差点都被平衡。然后将包裹相位图按质量值分割为若干区域，把分支对应的质量值设为最低，按质量值由高到低顺序对每一区域的相位进行路径预测区域增长方式的去包裹，若区域间有交界，则通过调整偏移量的方法进行融合处理。软件仿真和实验验证结果表明，与传统区域增长算法相比，新算法准确度更高，计算速度更快。

针对车辆外廓尺寸的精确快速测量，本文提出一种激光光幕和CCD 相结合的动态测量方法。本方法采用安装在龙门架顶角的两台CCD 相机快速采集被车辆高度调制垂直投射的激光点图像，并应用区域生长质心匹配算法提取边缘投影数据测量车辆的宽度；采用车身侧面序列图像拼接获取车辆侧面全景图像，并对全景图像做一阶投影差分处理精确定位车头和车尾，根据摄像机透视模型测量车辆的长度，并结合宽度边缘分布数据修正长度的测量精度；采用FPGA 获取垂直安装的红外光幕侧投影数据测量车辆的高度。本方法与传统的激光雷达和红外光幕的测量方法比较，具有占用场地小，安装结构简单，抗干扰能力强和测量精度高的优点，经过车辆外廓尺寸的现场测试实验，结果表明该方法测量误差小于1％，平均耗时低于50 s，验证了本测量方法的准确性和实时性，且本方法具有较强的鲁棒性和重要的应用价值。

为瞬态测量近红外激光波前，提出了一种斜入射结构的反射式错位点衍射干涉仪方案。将点衍射干涉仪集成在镀有特殊膜系的平板基片上，相干光波分别在平板前后表面反射产生错位，从而在传统点衍射干涉图中引入空间线性载频。采用傅里叶变换的方法处理单幅干涉图恢复待测波前，实现了近红外波前的自动化检测。实验测量了F/10、工作波长为1 313 nm 的近红外激光波前，测量结果与Hartmann 波前传感器一致。研究了用于针孔快速对准的成像对准技术。因此，采用该方案能够实现近红外波前的瞬态测量。

本论文采用全反射式光学聚焦结构，通过独特的偏振控制技术，实现宽光谱、无色差成像椭偏仪的研制。在系统校准过程中采用多样品校准方法，利用校准得到的系统参数对待测样品进行成像椭偏分析，确定样品椭偏角ψ和σ及薄膜厚度的空间分布。为测试自制成像椭偏仪的准确性，本文对3 nm~300 nm 的SiO₂/Si 样品在200 nm~1 000 nm 内多波长下进行成像椭偏测量。实验结果表明，SiO₂ 薄膜厚度最大相对测量误差小于6%。

具有动态可调特性的太赫兹吸收器在太赫兹开关、传感器以及太赫兹探测等方面具有巨大的应用前景。然而，基于传统超材料的太赫兹吸收器通常不具备理想的动态可调特性。本文中，我们提出利用单层石墨烯结合十字形亚波长金属结构设计太赫兹动态可调吸收器的方法，实现太赫兹波段宽带动态可调吸收。通过控制加载在石墨烯上的偏置电压改变石墨烯的化学势，可以轻松实现吸收频率动态调节。仿真结果显示，吸收器平均吸收带宽达1.3 THz，90%吸收频率范围可从2.04 THz~3.53 THz 到3.15 THz~4.24 THz 连续动态调节。

针对亚波长光栅结构和特性要求，本文提出了一种基于巯基-烯材料的亚波长光栅的制备方法。该方法利用柔性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)亚波长光栅结构为压印模板，以巯基-烯材料作为压印胶，利用紫外光固化软印刷技术制备以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为波导层的巯基-烯材料亚波长光栅。本文对巯基-烯亚波长光栅三层结构进行了模拟仿真，并利用该方法制备了周期为300 nm 的巯基-烯亚波长光栅，仿真和实验结果表明该光栅可以在特定角度反射波长为448 nm～482 nm 的蓝光，实验现象与仿真结果一致，表明提出的方法可以有效的制备聚合物材料亚波长光栅。同时该方法操作简单、成本低、易于大批量复制，在微纳米结构制备方面具有广阔的应用前景。

本文将Bowtie 孔径结构与金属-介质-金属结构相结合，提出了一种新的局域表面等离子体共振纳米直写光刻结构，得益于金属-介质-金属结构中顶层透射Ag 对透射光的放大增强以及底层反射Ag 对透射光的反射补偿作用，聚焦光斑的尺寸得到压缩的同时深度得到了显著提高，理论仿真中当焦斑的FWHM 为28 nm 时，焦斑深度可以达到20 nm 以上，这相对于传统纳米直写光刻结构，将焦斑的深度提升了4 倍。随后，通过相关验证实验在光刻胶中获得了FWHM 为47 nm，曝光深度为25 nm 的焦斑图形，进一步证实了该结构在压缩焦斑尺寸以及提升焦斑深度上的显著优势。

本文设计了一种三维双层开口谐振环可动悬臂阵列，利用双层材料(Al 和SiO2)之间热膨胀系数的差异，温度控制悬臂的弯曲形变，根据悬臂的可弯曲性来实现太赫兹传输的动态可调，设计出一个太赫兹可调阻带滤波器，可调范围达到0.32 THz。该研究结果对太赫兹可控功能器件如传感器，调制器以及相移器等器件研发具有一定的借鉴意义。

光波波段的生化传感器件已很常见且可实现单分子探测，但由于光波波长在纳米量级，制作出的器件的结构尺寸小、加工难度大、传感重复性较差。因此，本文提出一种亚波长金属块阵列结构的太赫兹(Terahertz, THz)传感芯片，在理论上基于法布里-珀罗(FP)共振建立了其传感模型，结合有限元方法分析了亚波长金属结构局域表面等离子体共振对其传感灵敏度的影响规律。然后采用正交光刻工艺制作出了结构均一的传感芯片，传感实验表明，该芯片对0.025 mol/L 的D(+)-葡萄糖水溶液可产生53 GHz 的频移量，传感灵敏度高，有望应用于高灵敏的太赫兹生物传感。

为了简化加密系统光学结构以及提高安全性，本文利用相位板抽取方法提出了一种基于衍射成像模型的光学加密方法。该方法在光路中放置三个随机相位板，在输出平面上利用CCD 记录衍射光强分布作为密文。在加密时，每次均抽取出其中一个随机相位板，由另外两个随机相位板进行光学加密，一共记录三幅衍射光强分布。解密过程采用数字方法，利用相位恢复迭代算法即可由密文和密钥恢复原始图像。该光学加密方法在加密过程中不需要移动光学器件，只需记录光强分布作为密文，因而便于光学实现。仿真实验表明该光学加密方法可以实现灰度图像的加密，具有多重加密密钥，安全性较高。同时，该加密方法具有一定的抗噪声和剪切攻击的能力，因而该方法可以用于传输环境比较恶劣的条件下。