双目面结构光三重扫描是在条纹投影双目视觉重建的基础上，追加左、右相机与投影仪构成的单目视觉系统重建点云，在反光和凹凸起伏等表面测量应用上具有更好的点云完整性优势。但由于环境温度变化影响，投影仪产生较大温度漂移，导致双目重建点云与单目重建点云发生“分层”现象。为此，文中提出了一种基于正交条纹投影的三重扫描系统温漂在线补偿方法，通过投影仪投射正交条纹来构建双目重建点在投影仪图像中准确的映射关系，并基于双目重建点在投影仪图像中的重投影误差最小化目标函数来求解温漂补偿后的投影仪最优外参数。最后，以金属球和汽车零件作为被测对象进行实验验证，在不依靠标定板等先验信息及繁琐标定流程基础上，所提在线快速补偿方法可以使得双目点云与单目点云温漂量分别减小78.2%和94.3%，极大减轻了温度变化对于三重扫描点云数据拼接影响。

水下光学成像技术对于海底资源勘测、海洋生态监测、水下搜索救援、水下考古等应用具有重要意义。相比传统水下摄像机，距离选通成像技术可以过滤选通切片外的后向散射噪声和环境背景噪声，实现高质量水下成像，但是在浑浊水体中仍然会受切片内后向散射噪声影响，导致成像距离缩短。对此，开展了光学偏振与距离选通成像结合的水下偏振选通成像技术研究，利用后向散射光良好的保偏性去除选通切片范围内的后向散射噪声，提升目标识别距离。通过理论仿真和实验研究，对比分析了不同水质下距离选通成像和偏振选通成像目标识别距离的差异。发现存在临界衰减系数c₀：当水体衰减系数小于等于c₀时，光学偏振对于提升距离选通成像工作距离无效果；当水体衰减系数大于c₀时，偏振可提升距离选通成像工作距离。实验中还发现，目标反射率会影响临界衰减系数。该研究有利于不同水质下距离选通成像的优化应用。

利用基于光学记忆效应的单帧散斑自相关方法，研究了光透过随机散射介质的快速成像。短的相机曝光时间内的高质量快速成像需要尽可能消除影响成像质量的因素。通过引入旋转散射片来消除光束的空间相干性，避免相干噪声对成像质量的影响。光斑对比度可衡量光束的空间相干性被消除的效果，影响光斑对比度数值的主要因素有三个：旋转散射片介质颗粒度即目数、转速、相机曝光时间。实验分析了220目数和600目数两种旋转散射片和不同转速、相机不同曝光时间的情况。结果表明，转速提高和相机曝光时间的增加均使得光斑对比度下降并提升散斑相关成像质量，相机曝光时间超过一定值后，光斑对比度和成像相关系数随散射片转速和曝光时间的变化相对较小。因此对于相机曝光时间短的单帧散斑快速成像，选择最合适的散射片转速对高质量成像非常重要。通过优化算法来提升成像质量。根据对光学传递函数约束的迭代算法，无需利用目标的先验信息即可恢复系统的点扩展函数，该点扩展函数适用于不同形状、不同大小的目标，结合单帧散斑自相关算法可实现快速成像，与仅使用单帧散斑自相关算法的情况相比成像质量显著提升。

针对数字化装备构建需求，以天基数字成像系统为研究对象，提出成像链路数理模型构建方法。建立相机、目标光学观测可见性模型和目标几何与光学特性模型，并通过路径追踪全局光照算法及光线重要性采样方法构建成像辐射传输模型，经过光电能量转换及成像调制模型输出空间目标数字成像结果。基于成像平台和空间目标的轨道参数，对比 Satellite tool kit (STK) 二体轨道模型15 d内的可见性仿真结果，验证了提出的可见性模型的正确性。在时间间隔3 s，距离70~200 km的条件下，对姿态对地定向目标进行成像仿真，结果表明，该成像链路数理模型可以有效生成在满足轨道监测条件下的目标序列图像，同时文中模型对天基装备数字系统建设也具有一定参考价值。

偏振成像技术作为一种新型的光学成像技术，可以实现抑制背景噪声、提高探测距离、获取目标细节特征和识别伪装目标等功能。由于成像空间维度的不同，偏振二维成像和偏振三维成像在不同领域中具有良好的应用前景。文中从偏振光的表示与传播方式入手，先后对偏振成像系统、偏振二维成像技术、偏振三维成像技术和基于超表面偏振器件的偏振探测及成像的研究展开综述。首先，根据偏振成像系统结构的不同，偏振成像系统可分为分时型、分振幅型、分孔径型和分焦平面型四种，并对以上偏振成像系统分别进行详细介绍和比较分析。其次，阐述了基于图像增强技术的偏振二维成像。图像增强技术分为偏振差分算法和图像融合两种。对于偏振三维成像，根据所处理反射光成分的不同，分为基于镜面反射光和漫反射光的偏振三维成像。综述了三维形貌重建过程中天顶角和方位角多值性问题的解决办法。为了高效准确地获取偏振信息，基于超表面结构的偏振器件成为当前研究的热点。进一步介绍了基于超表面偏振器件的偏振探测及成像技术。最后，总结全文并对偏振成像技术的发展前景进行展望。

双光子荧光（two-photon fluorescence，TPF）显微成像技术借助荧光探针实现样品中被标记成分的特异性成像，具有天然的三维层析能力、高成像深度与空间分辨率、以及更小的光漂白与光损伤，已经发展成为化学、医药学和生命科学领域的一项重要研究工具。文中通过分析高斯光束复振幅在空间中的分布，推导出TPF信号的纵向与径向分布公式，以此估算出文中的TPF显微成像系统的横向分辨率为453 nm，纵向分辨率为2.087 μm。使用飞秒激光器作为激发光源，搭建了TPF显微成像系统。在800 nm波长的飞秒脉冲激发下，测量了罗丹明B溶液的TPF光谱，从而选择636~703 nm作为显微成像的荧光探测窗口。随后开展了对罗丹明B染色的小鼠大脑切片的TPF显微成像实验研究，利用断层扫描成像的方式获得了小鼠大脑切片在0~14 μm深度内的荧光强度分布。通过三维重构完成了对生物样品的三维立体成像，获得了小鼠大脑中灰质与白质在不同深度的分布情况，实验结果证明了搭建的显微成像系统具有优异的成像深度与空间分辨能力。

显微成像技术作为研究细胞和生物组织的主要工具，对生物医学的发展起到了极大的推动作用。生物样本的复杂化和生物医学领域对时间和空间分辨率的多样化需求决定了单一功能生物成像系统应用的局限性。为满足生物医学领域的多样化需求，解决成像质量与成像时间之间的矛盾，设计了一种基于深度学习的多分辨显微关联成像系统。该系统通过对显微镜进行硬件设计改造和软件处理，将深度学习与关联成像技术有效结合，当采样率仅为60%时，成像系统能够较好地恢复图像细节，大幅降低欠采样带来的噪声，同时显著提升系统成像的时间分辨率。另外，为了满足所设计的小型多分辨显微关联成像系统的实际需求，采用基于重参数化思想的超高效轻量超分网络，在资源受限的设备下实现实时高质量成像。所提出的成像系统可以在保证成像质量的同时显著缩短成像时间和减少内存占用。不同类型生物样本和分辨率板的测试结果进一步表明了系统的鲁棒性和抗噪性能，研究结果对生物医学领域具有重要意义。

针对高轨抵近威胁在轨自主感知问题，总结归纳了地球同步轨道空间态势感知计划的发展历程、平台情况、轨道特性、任务操控、总体指标；分析了GSSAP (Geosynchronous Space Situational Awareness Program)卫星的抵近观测成像模式，提炼出绕飞成像、掠飞成像在轨运行模式，深入研究了近年来GSSAP卫星两行轨道数据，结合我国高轨卫星的轨道信息，挖掘出GSSAP对我国高轨卫星的数十次潜在的抵近侦察活动；基于实测数据分析了GSSAP-4抵近实践-20卫星的整个过程，计算出二者的相对距离、太阳相位角等信息，在距离为10~133 km、太阳相位角为44.67°~134.37°的条件下，对GSSAP的光电载荷进行了成像效果仿真。结果表明：GSSAP对我国GEO (Geosynchronous Orbit)卫星执行了多次抵近监视，在口径为500 mm，F数为10，像元间距为6.5 μm，像素规模为1024×1024，积分时间为20 ms时，GSSAP在顺光观测条件下，可以对目标进行高分辨率的精细化成像，能够看清目标的细节信息，对我国GEO高价值资产带来严重威胁。

为改善干涉成像短波红外高速高光谱成像仪的坏像元对复原光谱的影响，利用高光谱成像仪测试流程建立了坏像元识别模板，以提高坏像元识别效率。首先，按照高光谱成像仪测试流程设置增益模板和帧频模板并采集图像数据，依据正常像元增益响应设定合理判定阈值Th₁，识别不同增益下异常像元并记录对应坐标值；再依据正常像元帧频响应灰度值设定合理判定阈值Th₂，识别不同帧频下异常像元并记录坐标值。最后，对比增益模板和帧频模板判定的异常像元，融合确定坏像元。实验结果表明基于增益模板和帧频模板的识别方法在不增加设备研制测试成本的同时有效识别出短波红外高光谱成像仪探测器的坏像元，为可靠识别短波红外高光谱成像仪坏像元提供了一种低成本、高效可靠的新方法，提高了干涉成像高光谱成像仪光谱反演准确性。

Time-of-Flight （ToF）成像是利用光在目标和相机之间的飞行时间来获取场景的深度信息，具有体积小、成本低、实时成像等优势。在散射环境中，由于散射介质对光的散射作用，ToF成像受到多径干扰的影响，深度测量误差较大，限制了ToF相机在散射场景中的应用。ToF透散射介质成像技术是校正因散射光引起的多径干扰效应，从传感器接收到的混叠信号中分离出目标分量，实现散射场景中的深度信息恢复，其在雾天自动驾驶、水下勘测、生物医学等领域具有广阔的应用前景。依据ToF成像系统的不同，详细介绍了PL-ToF和CW-ToF成像的基本原理，阐述和分析了散射场景中ToF稳态成像和瞬态成像的机理和特点，分别回顾和总结了ToF稳态成像和瞬态成像的透散射介质成像研究现状，并介绍了ToF透散射介质成像的应用前景，最后依据现有ToF透散射介质成像技术的优缺点，对未来发展趋势进行了展望。