基于CMOS传感器的高集成小型相机在航天器上得到了越来越广泛的应用。空间相机能够完成航天器关键动作记录、对地遥感、近地天体观测等任务，并且具有体积小、重量轻、智能化的特点。为了实现良好的成像效果，适应于空间环境特点的自动曝光技术不可或缺。本文针对空间环境的特殊性及空间任务的不可逆性，提出了一种快速自适应曝光算法。该算法以能量分析为基础，进行目标与背景分离，针对目标进行加权统计，根据图像的统计结果，采用最速查表法，计算获得最佳曝光时间。设置双重目标调整范围，使得自动曝光算法收敛性较好。实验结果表明，该算法能够快速稳定地获得最佳曝光时间，曝光收敛速度快，稳定性高，资源占用少，非常适合空间场景探测。相关算法已成功应用于多个在轨型号。

中国1.8 m太阳望远镜(Chinese large solar telescope，CLST)致力于对太阳偏振的高精度及高灵敏度测量。然而其系统本身会引入仪器偏振，并且在望远镜运行的过程中，仪器偏振会随其指向的变化而变化。这就降低了系统的测量精度。因此，需要一个偏振标定单元对其仪器偏振进行标定。为此，本文对偏振标定的原理和方法进行了研究，并且给出了针对CLST 的偏振标定单元设计方案。

本文提出了一种基于介质超表面的径向偏振贝塞尔透镜，它可以高效率地将线偏光转换为径向偏振光，并且同时实现贝塞尔聚焦。在线偏振光入射下，利用非对称光子自旋轨道相互作用对线偏振光左右旋分量进行独立调控，最后通过自旋重组同时实现偏振转换和波前调控。在波长为532 nm处，数值孔径NA=0.9，超透镜实现了超越衍射极限聚焦焦斑。该项研究在粒子加速和超分辨率成像方面具有潜在的应用价值。

面阵CCD 具有灵敏度高、动态范围大的优点，适用于荧光测量、DNA 测序、拉曼光谱分析和低光度检测，因此，研制基于面阵CCD 的高灵敏度微型光纤光谱仪具有重要的实际价值。光学系统采用了优化后的交叉非对称型Czerny-Turner 结构，并获得了1 nm 的光学分辨率。结合DC-DC 和LDO 的设计方法，通过USB 供电实现了6 路电压输出的复杂电源系统设计；通过Verilog HDL 完成了CCD 驱动时序设计；采用Altera 公司的EPM7064 芯片实现了驱动信号输出。CCD 输出的视频信号经双相关采样的高速16 位AD 芯片AD9826 转换后存储在独立的静态RAM 中，使得数据的采集和读取分离。所设计与实现的微型高灵敏度光纤光谱仪的灵敏度是通常基于线阵CCD 的微型光谱仪的11 倍左右，动态范围20000:1，信噪比达到500:1，很大程度地提高了微型光纤光谱仪的性能。

由于受到表面等离激元(SPP)固有偏振性的影响，基于表面等离激元的波导型调制器只支持横磁模式(TM)传播。本文提出了一种在垂直方向和水平方向上均构建混合(hybrid)波导结构的表面等离激元电光调制器，以实现调制器的低偏振灵敏性。在组合的混合波导中，垂直和水平偏振方向上的表面等离激元被限制在相应的混合波导中。通过调控介质和ITO界面处形成载流子积累层中载流子浓度可实现光吸收调制。在经优化的结构中两个偏振态的消光比差为0.005 dB/μm。通过3D-FDTD 模拟调制器的光场调控，清楚地显示了传统硅波导与偏振不灵敏调制器间的耦合传输特性。两种偏振态下，偏振不灵敏调制器与硅波导之间的耦合效率均达到了74%以上。此项研究将为表面等离激元电光调制器在偏振不灵敏光集成回路中的应用提供解决方案，为其与具有偏振随机态光纤回路的集成奠定了基础。

牛眼结构是一种典型的纳米光学结构。本文设计了一种带有同轴纳米柱的牛眼结构，利用时域有限差分法(FDTD)研究了该结构的增强透射效应。研究发现，柱的半径和高度对透射特性具有显著的影响，恰当选择柱的半径和高度会得到最大的透射强度。另外，牛眼结构对环境折射率有较高的灵敏度。理论分析表明，该种结构的透射增强效应是由局域表面等离激元与表面极化等离激元相互作用产生。这为纳米光学元件的研发与应用提供一个新的思路。

由于双光楔系统可以精确调整光轴的指向，而且具有结构简单紧凑、调整速度快、偏转角度大的优点。为了满足某产品的需要，实现同心圆和Z 字型的光轴调整轨迹。本文根据现有理论，通过建立光轴偏转角度与双光楔转动角度关系模型，推导出对应公式，并结合Matlab 仿真、拟合和实际的产品测试，设计出了利用ARM 与计算机控制双光楔来调整光轴指向的方案。结果表明，该方案光轴指向调整的误差小于0.5°，能够实现预期的轨迹，满足实际产品的需求。

本文描述了由不同厚度的ITO 和Ag 层制成的一维金属介质光子带隙材料1D M-D PBG 的光学透射和反射特性。研究发现，单元尺寸小于80 nm 的金属结构和较小的金属分数会导致光学透射率的提高。对于大于80 nm 的单元尺寸，在可见光的低频和高频的频谱范围内反射率都相应增强。这是由于一种特殊结构和等离子体的带隙的作用。此外，在两个范围内的反射随着增加银膜厚度的增加而提高和扩大。结构引起的反射光谱随着单位尺寸的增大而增大，并且由于等离子体光子带隙的反射超出光学范围。研究结果对1D M-D PBG 光学滤波器的设计有一定的参考价值。

针对光束法对初始值依赖性大以及双目相机模型的特点，在ORB-SLAM2算法基础提出了一种三阶段局部双目光束法平差算法。在帧间位姿跟踪阶段，为降低累积误差对匀速模型下3D-2D匹配的影响，引入环形匹配机制进一步剔除误匹配，并将关键帧地图点与当前帧3D-2D投影匹配；在跟踪局部地图阶段插入关键帧时，增加双目相机基距参数优化环节；在局部地图优化阶段，将最近的两关键帧间的普通帧也作为局部帧进行优化。KITTI数据集实验表明，三阶段局部双目光束法平差与ORB-SLAM2相比，构造了更多精确的3D-2D匹配，增加了优化约束条件，提高了运动估计与优化精度。

设计了一种具有类电磁诱导透明(EIT)效应的高Q值太赫兹超材料。该结构单元由上下平行的双金属线及中间垂直的单金属线组成。分别对单金属线、双金属线及组合结构进行仿真，分析了组合结构中金属线的位置和尺寸对透射率及品质因数Q的影响。结果表明，随着单金属线的水平移动产生了类EIT效应，透射率和Q值随着偏移距离的增大而发生变化，通过调整结构和尺寸可以实现不同Q值。通过优化，当偏移距离为8 μm 时，在0.73 THz 附近得到一个3 dB带宽约为11.56 GHz的透明窗，相应的Q值为63.09，其透射率为0.50。最后，对谐振器的传感特性进行了测量，其折射率灵敏度为60.69 GHz/RIU，FOM值为5.25/RIU，具有优异的传感特性。