冷反射现象是指在红外热成像系统中制冷探测器通过前面光学表面的反射而探测到的自身的像，冷反射的控制是红外成像系统的重要任务。本文设计了一款采用Cassegrain(卡塞格林)反射结构的制冷型中波红外成像系统，分析了该系统的冷反射现象，得到了冷反射现象严重的表面。接着，通过Zemax软件降低这些严重面的冷发射，在控制冷反射的同时兼顾系统传递函数MTF的优化。通过NARCISSUS宏命令（冷反射分析宏命令）、Tracepro建模软件和实际成像图将优化后的中波红外成像系统与冷反射抑制前的系统进行比对。结果显示：探测器像面冷反射引入的等效温差( NITD)由1.0484 K下降到了0.1576 K，同时系统在调焦过程中冷反射斑的能量和尺寸无明显变化，优化后的光学结构有效地控制了系统的冷反射。

为实现无标记样本的定量检测，借助NX12.0搭配相关器件自主设计了一款小型化相位显微镜。相较于市面上售价高昂的相位显微镜，所设计显微镜无需相干器件，且在满足系统分辨率的前提下，将体积缩小了约60%，大幅提高了便携性，同时成本仅需5000元左右。系统中还嵌入了自动对焦算法和基于变换域的视场校正算法，以加快检测速度和相位恢复的准确率。经测试，系统在10倍物镜下的分辨率达到了分辨率板极限2.19 μm，同时随机相位板的检测表明相位恢复的准确率也达到了基本需求。除此之外，还对活细胞结构和平面玻璃的缺陷进行了测试。结果表明，所提系统不仅能对活细胞进行较好的定量测量，还可以在透明/半透明平面缺陷的检测中发挥重要作用，更是证明了这种成本低、便携性高、可实现无标记样本定量的系统设计方案的可行性。

提出一种基于离散W变换的差分调制计算鬼成像方法。使用正负两组离散W变换基图案对光源进行差分调制，根据桶探测器测量的光强值获取目标对象的频谱，通过矩阵形式的逆离散W变换重构目标图像。仿真和实验结果表明，该方法可以从压缩测量中获得图像，通过差分测量可以消除背景噪声，获得良好的图像质量，并且可以通过逆变换实现快速重建。与其他方法相比，该方法在成像质量上更具优势。

为了消除投影仪的伽马效应，近年来二值条纹投影轮廓术得到快速发展。如何确定合适的离焦量是二值条纹离焦投影三维测量的关键问题。离焦不足时，条纹会包含高阶谐波；离焦过度的话，条纹对比度降低，相位分辨率降低，同时噪声的影响相对变大。离焦不足或离焦过度都会影响相位测量精度。为了解决这一问题，基于数字相关法提出一种最优离焦量的确定方法。该方法利用条纹与其二阶微分的相关性来确定最佳离焦量，以获得准正弦条纹。在欠离焦和过离焦情况下，相关系数均较小，只有当条纹为准正弦条纹时，相关系数取得极大值。对该方法进行了数值模拟和实验验证。实验结果表明，所提方法具有速度快、准确性高的优点，可在二值条纹投影过程中实时跟踪相关系数并确定最佳离焦量。

大动态、高精度主动热控技术是高轨大型空间相机高性能、长寿命运行的核心关键。空间相机主动热控系统既要满足高精度测控温要求，又要实现小型化、集成化以降低资源和功耗需求。然而，传统以中央处理器（CPU）和数字信号处理器（DSP）为控制单元的架构难以满足高集成化的设计需要，且热控功率较大，需进行功率管理以满足整星能源要求。针对以上问题，面向地球同步轨道大型空间相机大动态、高精度的测控温需求，设计了以现场可编程门阵列（FPGA）为核心控制单元的主动热控系统，利用FPGA的高速并行处理能力和丰富接口资源，实现复杂空间相机高集成度高精度主动热控。设计了热控功率错峰功能，对加热片采用分时控制，动态实时检测热控功率，在保障相机关键部件控温精度的前提下，将热控功率限定在功率设定值。该系统已应用于地球同步轨道大型空间相机，对相机108路加热、138路测温和2个星上黑体进行高精度测控温，通过地面和在轨测试验证了主动热控系统设计的合理性和正确性。

作为一种新型光电探测技术，偏振成像可同时获取场景的空间分布和偏振特征，针对特定应用场景具有优异的材质区分及轮廓辨识能力，广泛应用于目标探测、生命科学、环境监测、三维成像等领域。偏振分光或滤光器件是偏振成像系统的核心元件，然而该类传统器件受限于体积庞大、性能不佳、易受干扰等问题，难以满足高集成、高性能、高可靠性偏振成像系统的要求。超构表面是一种结构单元以亚波长间隔准周期排列而成的二维平面器件，可在不同偏振方向对光场的振幅、相位进行精细操纵。基于超构表面的偏振器件具有体积小、重量轻、维度高等特点，为集成化偏振成像系统提供了新的解决方案。本文针对偏振成像，综述相关超构表面的功能原理、发展脉络和未来趋势，讨论并展望其在成像应用和系统集成方面所面临的挑战与机遇。

小肠肠道发病原因隐匿并且小肠存在大量褶皱，大景深光学系统有利于在诊断过程中获得更多的病理信息，而目前市面上的胶囊内窥镜光学系统景深较小。所提胶囊内窥镜光学系统在保证一定分辨率的同时，还可在7~100 mm大景深范围内有效成像。该系统视场角为100°，F数为5，在全视场范围内调制传递函数均大于0.35（在125 lp/mm频率处），在与之搭配的OV9734成像芯片上能够满足成像要求。并对该光学系统进行了公差分析，结果表明其在可加工范围内能满足常规生产与装调。

针对计算鬼成像采样过程中由于外界影响而出现的物体信息缺失问题，将小波分析应用于计算鬼成像系统中，同时在此系统中引入图像融合方法，构建一种基于图像融合的计算鬼成像系统，对此问题进行了仿真模拟与实验研究。并对结果进行了分析，结果显示此系统可以有效恢复待测物体信息、提高成像质量，相较于传统的计算鬼成像系统更加适用于实际应用环境。

以层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态像差为研究目标，基于非旋转对称光学系统的矢量波像差理论，建立了层叠微透镜阵列扫描成像系统的动态波像差理论模型，提出一种可用于系统波像差计算的适用性方法。同时，将动态波像差模型应用于两片式微透镜阵列扫描结构的像差分析中，分析了多扫描视场下的初级波像差以及均方根（RMS）波前差，并计算了不同扫描视场下的初级波像差值在光学表面上的分布。所得研究结果对层叠微透镜阵列扫描成像系统的设计优化与装调实验具有理论指导和工程化意义。

如何解决大视场和高分辨率之间的矛盾成为了众多科技人员的研究重心之一。基于此，提出一种动态小凹成像系统，在传统的小凹成像系统的基础上，引入方孔液晶透镜对视场中的感兴趣区域进行扫描，实现了在除感兴趣区域外其余区域低分辨率的条件下，在特定视场内的高分辨率成像。制作了方孔液晶透镜，并且对其实际孔径的特性进行了测量与分析。搭建了基于方孔液晶透镜的成像系统，通过此系统实现了动态小凹成像，并用调制传递函数（MTF）测试卡ISO12233对感兴趣区域与其余区域的低分辨率进行了测试。