白光显微干涉术是微结构三维形貌无损测量的有效手段，但当沟槽深度小于光源相干长度时易产生蝙蝠翼效应。ISO-25178系列规定了由三维形貌计算沟槽深度和线宽两项特征参数的方法。该计算法则首先需要确定阶跃边缘位置，然而蝙蝠翼位于阶跃边缘，造成形貌中的阶跃边缘位置定位困难。本文针对上述问题，摒弃了从三维形貌中提取阶跃边缘位置的传统方法，依据干涉图像中矩形光栅上下表面边缘位置采样点相干峰分布的差异性，提取相干包络峰值位置，并计算得到用于区分阶跃上下表面的掩膜。本文提出的方法从垂直扫描干涉图像出发，同步实现三维形貌复原和阶跃边缘位置定位，继而准确、高效地计算沟槽深度和线宽。本文以两种不同特征参数的矩形光栅作为检测对象，比对了测量结果与标称值之间的偏差，并对测量过程中的误差项进行了分析。实验结果证明，本文方法具有良好的重复性和鲁棒性。

为满足目前生物医学活体成像研究领域对多波段荧光成像的迫切需求，提出并设计了一种可见光（486~656 nm）、近红外（900~1700 nm）双波段长后工作距有限远变焦光学系统。针对双波段、长后工作距变焦系统带来的色差变化范围大、组分光焦度选择受限等技术难题，通过理论分析，选择了适合该双波段系统的变焦结构，计算得到了系统4组变焦结构的初始光焦度，并利用理想近轴面验证变焦方案初始结构的可行性，在此基础上对系统每一组元进行独立像差设计，共光路部分兼顾双波段像差进行优化，后组采用分光棱镜对两个波段分光，并针对双波段设计不同的后固定组以校正系统残余像差，同时实现长后工作距下的双波段成像。系统公差特性良好，变焦曲线平滑无拐点，变倍过程中像面稳定，成像质量良好。

干涉测试是一种高精度的表面形貌无损测量方法。通常情况下，单色光干涉测试以激光作为光源，采用缩小成像方案测量表面面形。宽带光干涉测试能够有效避免单色光干涉测试时的2π相位模糊问题，常与显微成像技术相结合，测量阶跃型结构的表面微观形貌。当阶跃型结构样品的横向尺寸较大时，宽带光显微测试需要采用拼接手段，降低了测量效率。本文提出了一种缩小成像的宽带光干涉仪，该仪器可用于大尺寸阶跃型表面的形貌测量，其工作波段为480~750 nm，采用1 inch探测器形成了47.60 mm×35.76 mm的测量视场。系统组成包括照明准直镜、干涉腔和成像镜。照明准直镜采用科勒照明方案，可以提供数值孔径NA=0.015、视场直径Φ=59.6 mm的均匀照明物方视场；干涉腔集合了Mirau型等光程干涉与Fizeau型无中心遮拦的优势，由倾斜1.5°的分光平板和倾斜3°的参考平板组成；成像镜与准直镜形成双远心成像光路，成像放大率为0.25×，在宽谱段范围内的畸变校正达到0.24%。采用构建完成的宽带光干涉仪测试了USAF1951分辨率板，系统分辨率可达14 lp/mm；测试了校准高度分别为7.805 μm和46.554 μm的台阶板，对阶跃型结构测量的高度偏差优于0.4%。

针对现有散射光线追迹概率模型方案受限于解析解难以获取的问题，提出利用拒绝采样法设计基于双向反射分布函数（BRDF）的散射光线追迹概率模型，通过设置检验条件规避了积分求解过程，进而筛选出有效角度坐标，实现散射光线追迹，该方案具有适用范围广的优势。对于具有平移不变性的BRDF模型，进一步提出对称采样方案，通过将采样区域减半后再镜像提升速率。设置表面属性、入射角与追迹光线数量等仿真条件相同，编制了本文方案的仿真程序，对不同光机结构材料进行建模仿真后从重复性和精确度方面与LightTools软件运算结果作对比验证，基于拒绝采样法编制程序的仿真结果可以与软件模型结果相媲美。最后对软件中未包含的BRDF模型进行建模仿真以进一步验证上述方案的普适性。