为满足大尺寸测量仪器性能与制造水平提升的需求，基于非正交轴系架构理念对激光经纬仪进行设计。针对非正交轴系经纬仪在无参考末端情况下计算反向运动旋转角度的难题，提出反向运动线性模型，以实现旋转角度的快速、高精度计算。首先，基于李群李代数基本理论构建非正交轴系经纬仪正向运动学模型。其次，构建空间目标点与视准轴位姿参数间的约束关系，并结合旋转角度误差传递模型，确立用于求解旋转角度误差修正值的线性方程组。最终通过旋转角度初始估计值与误差修正值线性相加，获取高精度的反向旋转角度值。仿真结果表明，该方法所计算的旋转角度误差趋近于0，真实实验的旋转角度误差均小于0.02 mrad，验证了所提反向运动学线性模型的可行性与实用性。

依靠算法提高光学测量精度的方法和应用越来越广泛，由于刀口法在光学非球面检测中的应用有其独特性，本文提出了在非焦点处采样，对应CCD像面上辅以虚拟光阑调制的刀口法环带，实现定量检测。以检测一个凹球面为例，将其与干涉仪标准方法的检测结果进行对比，其中主要环带位置偏差不超过1%，峰谷（PV）值和均方根（RMS）值误差均在7%左右，可以实现至少λ/15左右的检测灵敏度。该研究为光学车间检测提供了一种定量化检测的新思路，优化了光学加工与检测的效率，为自动化刀口仪的研制奠定了基础。

地下水重金属污染正在严重威胁环境安全和人体健康。荧光探针检测技术因具有灵敏度高、选择性好等优势，已成为检测重金属离子浓度的常用方法之一。受限于光源和光学系统的体积与成本等因素，现有重金属荧光检测装置无法满足现场原位检测需求。本文研制了一种地下水重金属荧光原位检测装置，其光学探头以紫外发光二极管（LED）为光源，采用共聚焦光路设计，荧光收集角范围可达102°，外径不超过60 mm，实现了小型化和低成本化。同时，以商用化台式荧光分光光度计作为参照设备，搭载相同的二价汞离子（Hg²⁺）荧光探针，开展了对比性能测试。实验结果表明，本文研发的装置具有良好的稳定性和线性响应特性，相关系数R²为0.989，检测限可达到1.47×10^-9，各项性能参数不亚于台式荧光分光光度计。

针对体表组织较厚部位的血管识别困难的问题，提出一种用于体表血管提取与三维成像的双目系统与图像处理算法。成像系统设计采用会聚双目近红外增强相机与近红外LED阵列，并基于朗伯特辐射模型优化了LED阵列的辐照分布均匀性。图像处理算法先通过以Frangi滤波为基础的单目图像处理流程提取左图像中血管骨架，再通过改进的滑窗匹配算法结合右图信息计算血管骨架深度。实验分析了该系统在手背、小臂、颈部以及仿体模型上的血管提取效果、立体匹配有效率以及处理速度，验证了该系统在体表组织较厚部位的实用性。

针对现今非接触眼科测量仪器对焦对准速度慢、通用性差和操作复杂的问题，搭建了应用于眼科测量仪器的人眼自动对焦及瞳孔中心自动对准系统，并提出了基于四邻域-多方向两级梯度函数的自动对焦算法以及融合卷积神经网络智能感兴趣区域（ROI）窗口的瞳孔中心定位算法。通过实验实拍人眼离焦图像序列及人眼图像测试集，分别对提出的两个算法进行验证。结果显示：所提出的自动对焦算法的平均计算时间约为13 ms，清晰度比率为93.531，优于6种传统的评价算法；所提出的瞳孔中心定位算法的平均计算时间为10.2 ms，准确度为97.14%，相比Hough法、改进Hough法有较大的性能提升。实验结果证明所搭建的系统能够满足眼生物参数测量的准确性、实时性和鲁棒性要求，提升了仪器的自动化水平，有助于眼科测量仪器的智能化发展。

为了解决自动化刀口仪面临的如何搜索并收敛到特征点的核心问题，提出一种基于刀口仪轴向移动的非球面检测技术，实现了在搜索过程中提取环带误差信息，一方面在搜索过程中动态获得波前特性，另一方面可以加速收敛找到特征点。利用所提方法对不同参数的镜面环带误差进行检测，所得带差位置与干涉仪检测结果的相对误差小于3.3%，验证了所提方法的有效性。所提方法为刀口仪的自动化测量提供了一个便捷的解决方案，为进一步提高非球面加工效率提供了技术支撑。

分别利用He-Ne激光632.8 nm、O₂（0-1）867.7 nm和O （¹S）557.7 nm谱线作为光源，研究了地基气辉成像干涉仪的光学传递函数，给出了优化设计、理论计算和实际拍摄图片的MTF值。优化设计MTF的所有值均在0.3以上，部分视场MTF高于0.6；对557.7 nm和867.7 nm波长的气辉，理论计算的MTF分别为0.508和0.510；由室内外实验拍摄获取的GBAII成像干涉图得出的MTF值分别大于0.84、0.58、0.24，与国际著名的星载风成像干涉仪WINDII的0.35 MTF值相当。

提出了一种基于多光混频产生平坦毫米波噪声的方法。通过宽带放大自发辐射(ASE)光源，滤出多个具有不同中心波长的高斯型噪声光谱，利用宽带光电探测器，对多个具有不同中心波长的噪声光谱进行了混频以产生平坦毫米波噪声。仿真结果表明，所提方案能够在大频率范围内产生平坦的毫米波噪声，如F波段(90～140 GHz)和G波段(140～220 GHz)。为了定量地比较毫米波噪声的质量，定义了相对平坦度为某个频率范围内产生噪声功率的起伏与其平均功率之比。实验结果表明，产生的毫米波噪声的相对平坦度低至0.46[@(35±15)GHz]。

人工智能的发展已经给人类社会的发展带来了极大变革,各种基于人工智能的新应用层出不穷。电磁和光学超材料对电磁波有强大的调控能力,且具有灵活的设计特性,尤其是可编程超材料的实时数字化调控能力,有利于基于人工智能技术的电磁超材料的设计和智能化应用。对超材料的智能化设计、智能化结构和智能化系统进行了阐述,对于人工智能技术与电磁和光学超材料的结合,总结介绍了结构优化、架构设计和系统应用的主要进展和成果,并展望了智能超材料的未来发展方向。