孔轴装配是工业制造领域的一个重要基础问题，针对空间狭窄视觉困难、容易碰撞损坏、人工装配效率低等问题，提出一种基于双目视觉的监测方案，将图像叠加融合，扩大监测视野，并通过轴与孔的截交线来测量装配参数。此外，根据重投影误差，对不同位置的双目数据的融合权重进行优化，使误差降低10%左右，在实现快速检测的同时保证了测量精度。实验结果表明，所提算法可以对间隙为0.25 mm的小直径和小间隙孔轴的装配过程进行实时监测，平均误差约为0.015 mm。同时，所提算法对摄像机的倾斜角度不敏感，在不同的摄像机安装位置具有良好的鲁棒性。

为提高光学表面的功率谱密度检测精度, 研究了白光干涉仪仪器传递函数(ITF)的产生机理和标定方法。将白光干涉仪作为非相干成像系统, 对正弦表面干涉光强进行Bessel函数展开, 通过干涉光强的频谱强度变化研究白光干涉仪对正弦表面高度的作用机理, 利用数值仿真计算了白光干涉仪对正弦表面的衰减程度。采用30、80、120 nm高度的台阶标准板对商品白光干涉仪的传递函数进行标定, 并提出了一种可靠的ITF计算方法。理论分析、数值仿真和实验结果表明: ITF随表面高度的增加而增大, 此时白光干涉仪对表面高度的响应表现出明显的非线性; 表面高度小于λ/10得到的ITF曲线与白光干涉仪光学系统调制传递函数非常接近, 白光干涉仪对表面高度的响应接近线性。文中对于白光干涉仪频域传递特性研究和光学表面功率谱密度检测具有重要意义。

针对移相干涉仪中移相器的标定，提出了一种基于干涉图计算移相量的迭代方法。该方法分为两步: 首先假设移相量已知，构建三元最小二乘方程计算位相; 然后假设位相已知，构建二元最小二乘方程计算移相量，同时依据三角函数关系和遍历原则，建立估算移相量计算误差的参数。利用计算机仿真和实验验证了提出方法的有效性。计算机仿真显示: 提出的方法比已有算法计算精度更高，而且误差估计值与实际计算误差偏离小于15%。在Fizeau干涉仪上开展了验证实验，利用两个电容位移传感器测量了镜架的位移。计算结果与电容传感器测量结果非常吻合，最大偏差仅为0.7 nm。另外，利用本文方法得到的误差估计值为0.52 nm，显示测量结果和计算结果的偏差在误差估计值范围内。所提出的方法可以高精度地提取移相量，且能给出移相量计算误差，是一种简单可靠的移相器标定方法。

研制了高精度的光谱共焦位移测量系统并完成相关测试。基于色差理论和材料优化选择设计一种色差与波长成线性关系的色散物镜，有助于平衡系统在全测量范围的灵敏度。理论分析了系统参数对系统的影响规律，计算了针孔尺寸与系统的分辨率和信噪比的关系，给出了参数优化结果。利用设计的线性色散物镜和参数优化结果，构建了光谱共焦测量系统，完成了系统的校准、测试和应用研究。结果表明，系统的轴向测量范围达到1 mm，分辨力优于0.5 μm，全程测量误差小于2 μm，符合设计要求。

由于色散物镜轴向色散与波长间的非线性会导致仪器整体性能下降，本文研究了光学系统轴向色散与透镜组之间的关系，推导了轴向色散的传递公式。为得到较大的线性轴向色散，根据轴向色散的传递公式提出了一种正负透镜组均采用线性色散光焦度组合且正负透镜组分离的镜头结构。光学优化设计表明，具有正负透镜分离结构的色散物镜可以得到低的球差和大的轴向色散，而且具有较大的工作距离。设计的色散物镜在430~710 nm得到了1 mm的轴向色散，轴向色散与波长之间的相对非线性度为4.6%，灵敏度的波动量小于整体的1/3，优于之前的研究。采用所设计的色散物镜，光谱共焦显微镜能够得到优于0.3 μm的轴向分辨率和优于5 μm的横向分辨率，满足精密测量的需求。

色散物镜是光谱共焦显微镜的关键组件, 其轴向色散线性度和色散范围会影响光谱共焦显微镜的性能。在线性轴向色散的理论基础上, 研究了优化选择材料组合的方法, 给出了优化模型和求解方法, 得到了具有最大色散的材料组合及其光焦度分配, 并使用光学设计软件对优化结果进行了模拟。模拟结果表明, 使用本文优化方法得到的材料组合, 波长与轴向色散成线性关系, 而且具有最大的轴向色散。使用得到的最大色散材料组合进行色散物镜设计, 得到了较好线性度的色散物镜, 并具有较短的有效焦距。本文给出的优化选择材料组合的方法可以为设计光谱共焦显微镜提供指导, 有效缩短镜筒长度, 提高光谱共焦显微镜的性能。

光谱共焦位移传感器具有精度高、适应性强等特点，传感器的关键部件是产生轴向色散的物镜。本文对传感器的工作原理进行了分析，推导了计算物镜光学参数的公式，并依据此公式计算结果设计物镜，得到了满足设计指标的物镜，且与理论计算相符。传感器的工作波长范围是500~700 nm，设计的色散物镜利用高色散玻璃和双胶合透镜达到了1 mm 的量程，配以合适的光谱仪，传感器分辨率优于1 μm。物镜使用齐明透镜和双胶合透镜减小球差，使得各波长的最大球差约为0.6 μm，满足物镜精度要求。