在实际应用中，受应用环境狭小空间的限制，可能出现元素图像偏移与部分缺失等失真问题，进而影响光场图像的解码、深度估计与三维成像等应用。为了研究该问题，本文分析并提出了元素图像不失真条件。将环境空间的约束抽象为主透镜物空间的孔阑，根据孔阑尺寸、位置与元素图像之间的关系，将光场成像分为3种情况分别进行理论研究，并设计了元素图像中心偏移、孔阑等差移动10 mm实验进行验证。实验结果表明，元素图像中心偏移的实验结果与理论分析的相关性高于99%，孔阑等差移动测量值为（9.97±1.5）mm，验证了本文元素图像不失真条件的正确性。该不失真条件可用于指导光场成像系统设计，定量分析元素图像失真参数。

基于原有Littman-Metcalf型光栅外腔半导体激光器的工作原理，设计了一种可以降低衍射损耗的外腔结构。在Littman-Metcalf结构的基础上增加一个反射镜，将闪耀光栅二次衍射产生的零级衍射光反馈回半导体激光器本征腔。推导了新结构模型外腔损耗的表达式，通过等效腔的概念对两种结构激光器的外腔损耗、阈值电流、输出线宽以及输出功率进行了仿真分析。结果表明：将二次衍射产生的零级光反馈回有源区可有效降低Littman-Metcalf结构激光器的外腔损耗，提高了系统的耦合效率，从而降低阈值电流，提高了激光器的输出功率。同时，由于提高了外腔反射效率，该外腔结构进一步压窄激光器的输出线宽。对影响低损耗Littman-Metcalf外腔激光器输出线宽以及输出功率的因素（端面反射率、内外腔长、闪耀光栅衍射效率以及反射镜反射率等）也进行了仿真分析，为后期激光器制作提高了理论指导。

资源三号03星是自然资源部主持建造的用于1∶50 000立体测图的陆地遥感业务卫星，该星装备了业务化的激光测高仪，主要用于获取高精度高程控制点。论文针对资源三号03星激光测高数据，研究了标准化测绘处理流程和高程控制点提取方法，在内蒙古苏尼特右旗和江苏苏州开展了精度验证，并选择黑龙江和河北两个实验区开展了复合测绘应用验证。精度验证结果表明，资源三号03星激光点在内蒙古苏尼特右旗平坦区域高程精度为(0.051±0.232) m，在江苏苏州城市建成区的激光点总体精度为(0.414±6.213) m，经高程控制点提取和质量标记后的激光点高程误差为(−0.526±0.624) m，能满足1∶50 000测图高程控制需求。复合测绘应用表明，利用资源三号03星激光高程控制点，立体影像高程精度在黑龙江平坦地区能从5.27 m提高到2.58 m，河北太行山区能从11.25 m提高到4.45 m；无论是平地还是山区，资源三号03星激光高程控制点均能有效提高立体影像的高程精度并满足1∶50 000测图需求。

以光栅外腔半导体激光器的理论知识为基础，对Littman-Metcalf型外腔半导体激光器的工作原理进行了说明，并详细地讨论了外腔半导体激光器的线宽压窄以及模式选择机制，采用严格的耦合理论和光线变换矩阵推导了系统结构参数对光场耦合效率影响的计算公式。同时，对影响Littman-Metcalf外腔激光器输出激光线宽的几个重要因素进行了分析，重点讨论了系统中准直透镜位置失调导致的线宽变化规律。计算结果表明：合理地控制Littman-Metcalf光栅外腔半导体激光器的外腔参数可以将中心波长为785 nm半导体激光器的本征线宽压窄四个数量级，该外腔系统中准直透镜位置失调会影响系统出射光场与经外腔反馈光场之间的耦合效率，进而影响光栅外腔半导体激光器的输出线宽。

基于光场成像理论的三维腹腔镜是实现腹腔三维成像的重要研究方向，标定是光场腹腔镜实现三维成像的基础。针对光场带宽积与较小的光场视差会制约三维光场腹腔镜标定精度提升的问题，提出了一种视差放大方法，将直接计算光场视差的问题转换为间接计算两个特征点的距离问题，较大的特征点间距在光场图像中体现为易于检测的点-点间距和点-线间距，从根本上提高了光场腹腔镜的标定精度；基于SRDenseNet的改进型超分辨率网络，整合通道注意力机制，同时提高了光场腹腔镜四维成像的角度分辨率与位置分辨率，间接地提高了光场腹腔镜的标定精度。实验结果表明，经光场视差放大与超分辨处理后，三维光场腹腔镜标定的反投影误差降低了16%，R²提高了6%。

三维人脸的测量与分割有着广泛的应用需求，是目前重要的研究方向，但三维人脸数据的庞大、无序等问题制约了其快速发展。首先开发了基于结构光方法的三维人脸测量系统，获得以点云形式存储的高精度三维人脸数据。其次，采用保角变换对三维人脸数据进行了预处理，并采用二维卷积神经网络分割结合三维反映射的思路，实现了三维人脸的分割，解决了三维数据的无序性以及旋转性，降低了三维数据分割的时间消耗。实验结果表明，本文提出的三维人脸测量系统精度可达0.5 mm，三维分割的平均交并比可达0.78，二维分割结合三维反映射的整体效率明显高于直接进行三维分割的效率。