针对低浓度液体介质中颗粒物的数目和粒径检测问题，基于几何光学原理和Mie光散射理论分析，研究光阻法对球形颗粒的检测，采用角散射并结合图像法验证信号测量的一致性。搭建了一套能采用3种方法同步测试的实验系统，通过对实验测得的6种标准颗粒的光阻信号进行标定，对不同标准颗粒脉冲幅值进行统计平均后拟合和优化，通过拟合公式进一步测定了其他颗粒的粒径。结果表明，对于标称为15.0 μm和63.6 μm标准颗粒的数目中位径与标称值偏差均小于2%，同时对于混合颗粒也具有较好的区分能力。

针对现阶段无创血压检测仪体积较大、不易携带，且需要专业人员操作的问题，提出了一种无创血压检测系统。系统基于脉搏波传导和光与物质相互作用的原理，提取并分析了光与手腕处的皮肤作用后的光电信号模量，推算出动脉血液流速，即脉搏波传导速度，从而进一步推算出血压值。试验结果表明，本系统与传统血压检测仪的平均相对误差在5 %以内，具有一定的可行性。该系统具有体积小、成本低、测量方式简单、易携带、可做大数据管理等特点，可用于人体血压的实时监测及健康管理。

为解决角锥棱镜失偏效应，提出一种外加晶片的椭圆偏振光纠偏方案。总结角锥实棱倾斜时的修正公式，同时建立角锥在顺、逆时针反射次序下的纠偏模型。分析该模型表明利用两个半波片和一个延迟片可以使角锥的入/出射偏振态保持不变。根据上述模型，用1 064 nm波长的激光器，对实棱线竖直摆放的BK7玻璃角锥进行顺、逆时针纠偏实验。光波矢与水平方向的夹角在90°至0°之间变化，以获得不同的线偏振态，经纠偏后最大失偏椭圆率绝对值从35°纠正为5°。对于近圆偏振光，经纠偏后椭圆率从44°下降到40°。

针对激光共焦扫描显微镜的往复式逐行扫描成像方式带来的帧图像数据分割难的问题，在分析系统扫描方式、振镜的实际运动方式与理论运动方式差异的基础上，利用相邻两帧图像相似性大的特点，提出了一套完整的高帧速重构算法。该算法通过连续帧特征区域差分的方式实现了一维信号序列的自适应分割，即实现了对一维信号序列进行动态排列及分割成二维阵列图像数据，从而重构出多帧高精度图像。实验表明，该算法的成像误差低于1.6 %，适用于成像速度高达300帧/s的激光共焦扫描显微成像。

为了实现高精度光学非球面元件超精密抛光加工的需要，设计了光学非球面磁性复合流体抛光运动控制算法。通过分析光学非球面磁性复合流体抛光加工原理，建立抛光头在加工过程中相对非球面表面的位态变换关系，采用D-H法建立抛光试验台运动学模型，求解抛光过程中抛光头位姿量，运用逆向运动学求解方法计算试验台运动量；开展工艺实验，对该运动控制算法进行验证。实验结果表明，所设计的抛光运动控制算法能够准确指导光学非球面元件抛光加工。

十字线中心检测是反射法测量透镜中心偏的重要组成部分，十字中心的检测精度决定了透镜中心偏的测量精度。针对边缘不规则、对比度差、信噪比低的图像，提出了基于深度卷积神经网络的十字线中心检测算法。算法的思想是，卷积神经网络可以在一定程度上解决传统算法局限于提取十字像边缘直线和角点特征的问题，实现对十字像整体特征的识别与定位，这可以相对减小图像噪声对十字像中心定位的影响，从而实现在图像质量比较差的情况下对十字像中心准确定位。实验结果表明，提出的算法能够在图像边缘不规则、对比度差、信噪比低等的条件下比较精确得到十字线中心点。

为克服以近似理论分析为主的米氏散射方法在研究微粒粒径小于入射光波长情况下带来的局限性，采用了基于数值化模拟的有限时域差分（FDTD）方法对纳米级散射体微粒在近场聚焦光束下发生的聚焦作用进行仿真研究。以聚焦的线偏振光为光源，并将球形纳米空气粒子嵌入固态浸没透镜底面光束聚焦点位置，使用FDTD仿真软件模拟了纳米空气粒子附近的光强分布信息。通过改变相应的仿真条件，选出最合适的纳米散射结构参数，实现了良好的聚焦成像效果。

为了进一步揭示超声振动辅助磨削加工机理，建立了超声振动辅助磨削亚表面损伤深度与断裂韧性的预测模型，设计几何形状随机的单颗磨粒超声振动压痕实验和超声振动辅助磨削实验，调查两种情况下K9光学玻璃压痕变形区域形貌特征，提出一种适用于超声振动和非超声振动两种加载条件的等效断裂韧性计算方法，并通过超声振动辅助磨削实验来验证预测模型的可靠性。实验结果表明，超声振动可以有效增加K9光学玻璃抵抗断裂的能力，降低亚表面损伤程度，且预测模型与实验结果具有良好的一致性。

针对光学系统中对非球面元件的精度要求，设计了直线光栅式的抛光轨迹，并用磁性复合流体以这一抛光轨迹抛光非球面。根据抛光轨迹和非球面方程计算出每个抛光点的坐标；根据抛光点坐标和抛光头的抛光姿态计算出对应的抛光头中心点的坐标；建立相邻两抛光点的弓高误差模型，仿真出弓高误差模型并分析弓高误差的变化规律；根据弓高误差变化规律，用等弓高误差变步长控制算法实现弓高误差的一致性，提高加工质量。

针对多层样本中界面对太赫兹时域光谱的影响问题，利用太赫兹时域光谱测试了由不同粒径制成的单、双层沙粒压片，获得了单、双层压片样本的太赫兹时域谱。结果表明，双层样本的单位厚度太赫兹峰值衰减系数明显小于单层样本的单位厚度衰减系数。因此，在研究双层样品太赫兹光谱响应时应添加某个系数以消除由样品的界面反射影响，且该系数与材料的特性有关。

针对亚波长光栅的共振特性，设计了一种基于法诺共振的亚波长光栅并研究了其共振特性。利用光学模拟软件FDTD Solutions对该光栅结构进行数值模拟，在可见光波段，对影响光栅性能的周期、折射率、占空比等光栅参数进行了研究，从而得到了一种共振强度高、谱线精细、共振峰位置可控的法诺共振谱线。该研究成果可用来研制1 nm精度的光谱滤波器。

围绕车辆贩运违禁品的精确、快速查缉需求，开展了小型化、低辐射的飞点扫描X射线背散射系统研究。设计了小型化飞点扫描X射线背散射系统的斩波机构、背散射探测器。利用研制的系统开展了X射线背散射成像实验，研究了X射线能量、功率对系统成像对比度和信噪比的影响。实验表明，系统成像分辨率约为2 mm，能够准确检测出隐藏在陶瓷物品中的毒品模拟物。小型化飞点扫描X射线背散射系统的研究可为车辆安检难题和降低检测中的辐射危害提供参考。

三维轮廓检测能力决定了光学自由曲面开发的进度和应用的范围。基于条纹反射法检测原理提出了一种结合线结构光立体视觉和条纹反射法的三维轮廓检测系统。该系统主要用于光学自由曲面轮廓的检测，以立体视觉测量得到的光学自由曲面轮廓数据作为初值，结合相位测量偏折法测量数据的迭代，得到精度更高的光学自由曲面轮廓测量结果。实验结果表明，该系统可测量直径为300 mm、倾斜角范围为± 20°的自由曲面光学元件，系统的复合测量能力强，光学自由曲面的测量不确定度小于± 1 μm。

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