传统显微成像技术会对透明细胞活性造成不可逆损伤，且现有光强传输方程缺乏便携性和成本低要求的实用仪器。针对此问题，设计一种基于光强传输方程的便携式显微成像系统。根据光强传输方程的需求自主设计了机械结构并开发配套的交互软件。在保证系统分辨率的前提下，实现了体积缩小70%、高度集成化、快速拆卸组装、成本显著降低等特点。实验结果表明，该系统在10倍物镜下分辨率达到2.19 μm，可实时对透明细胞进行相位定量观测，并应用于透明/半透明样本的缺陷检测。该研究为实现低成本、便携性、模块化设计的显微成像技术提供可行性。

实时荧光定量聚合酶链式反应（PCR）是传染病核酸检测的金标准，在临床诊断等方面至关重要。但在进行PCR检测时，耗材规格的变化会干扰荧光信号的采集，而且传统的人工对焦存在诸多弊病，如操作繁琐，需要频繁校准，效率低，劳动强度大，耗材高度微变时图像采集精度差，难适配多规格耗材。本研究以开发适用于多规格耗材的成像式荧光检测方案为目的，成功设计了一种光学自适应检测装置并开发了自动对焦算法，该算法主要包含粗校准、细校准和水平校准3个步骤。粗校准通过特定的光学检测手段初步确定大致的对焦范围；细校准借助图像分析技术，结合二分查找法快速缩小对焦搜索范围，并运用模拟退火算法优化对焦过程，避免陷入局部最优解，从而精准地找到最佳对焦位置；水平校准则通过专门设计的水平检测机制确保图像质量的均匀一致。经实验验证，此装置与算法可以有效满足荧光 PCR 系统多规格耗材自动对焦的要求，相比传统的手工对焦提升了效率与精度，为相关检测的成像环节提供了有效的解决办法。

针对现有显微成像系统对透明样品对焦时存在抗干扰性差、易脱焦、光能利用率低等问题，计算、设计并搭建了一种基于双轴锥镜的半环形光束自动对焦系统。为了获得环形光束内、外径的计算公式，利用斯涅尔定律与几何关系，获得了环形光束口径与轴锥镜折射率、间距之间的相互关系；由于系统光源的非对称性，为了计算系统的空间分辨率和轴向分辨率，采用分割近似和振幅叠加原理，推导了半环形光束的远场振幅分布，可计算系统分辨能力；为了验证光束质量并与实验相互验证，根据菲涅耳-基尔霍夫理论推导了高斯光束经过轴锥镜后的准确光能分布公式。设计并搭建了工作波长为785 nm、半环形光束内/外径为19 mm/20 mm、成像焦距为200 mm的快速自动对焦系统，其中成像光路在400~790 nm范围实现了宽谱段消色差，避免了不同波长对焦不一致；照明光路获得了边界清晰锐利的环形光束光能分布，为多层面识别提供了良好照明条件；在物镜数值孔径（NA）为0.8时，计算得到对焦系统的空间分辨率为0.77 μm，轴向分辨率为0.40 μm，小于显微物镜景深的1/4，满足高精度对焦要求。

针对传统对焦法需要采集较多的离焦图像、对焦耗时长、在视觉测量系统场景应用中存在限制等问题，提出了一种基于深度学习的自动对焦方法。该方法将自动对焦问题转化为图像的离焦距离预测问题，利用ShuffleNetv2与多层感知机构建轻量化深度回归网络并对工作场景中采集的目标图像数据集进行训练。通过合理的对焦策略，利用两帧图像即可完成对焦，减少了对焦耗时，同时也可以避免传统对焦法因局部极值点导致对焦误差较大的问题。实验结果表明，该方法的对焦耗时仅为传统对焦法的15%~24%，对焦稳定性相比传统对焦法提升约为40%，具有对焦速度快、对焦稳定性高、模型复杂度低等优点，能够很好地应用于视觉测量系统中。

电动化、智能化的光学显微成像系统需要能够实时测量系统的焦面漂移并进行校正，从而实现对活细胞的长时间观测和全片的病理切片扫描。设计一种探测非对称光束界面反射后的光斑位置从而进行焦面漂移测量的方法。利用ZEMAX软件光学仿真了反射光斑在不同离焦情况下的光斑形状，搭建了集成化的漂移测量模块并在商用正置显微镜上对其进行了验证。结果表明，针对60×浸油物镜，所提系统的漂移测量精度达250 nm，漂移校正的响应时间小于500 ms，满足了高分辨率长时间成像的要求。

自动数字显微镜的关键技术之一就是自动对焦，为了提升对焦的速度，越来越多的深度学习方法被引入用于单帧图像的焦点预测。然而几乎所有的网络模型都过分信任其输出的结果，面对未知的样本即使输出错误的结果也不会给出任何警示。利用贝叶斯卷积神经网络的实现，可从单张图像中完成离焦距离的预测，并获得焦点预测结果的不确定性估计，此外提出通过设置不确定度阈值实现对焦点预测结果的筛选。在一个大型开源数据集上进行了测试，利用不确定性估计评估预测结果的有效性。结果表明，对比同类型样本，所提出的网络模型在未知样本上能够输出更高的不确定度，建立的筛选机制能有效减小模型在未知样本上的预测误差。在公共数据集上的两个样品的最终误差范围为 0.37±0.46 μm和 0.83±1.17μm，优于筛选前的 0.40±0.66μm和 1.08±1.78μm。

望远镜自动调焦技术在提高天文观测效率和观测精度方面有着重要的作用。针对云南天文台1.2 m望远镜系统在观测空间目标时受外界多重因素影响下的像点离散、能量分散等问题，提出了一种改进定心精度的半通量直径（HFD-ICA）实时自动调焦清晰度评价算法。该方法在进行图像预处理的基础上，采用改进的强度加权质心法（improved IWC），以亚毫米的精度迭代计算星像质心；然后测出星像HFD，根据HFD值用双曲线法拟合出V型调焦曲线。经过大量实验表明，该算法在指导望远镜调焦时能够迅速找到焦点位置，其精确定焦率与高精度天文图像处理软件IRAF的计算结果相当，在调焦过程中平均处理时长为4.7 s，耗时仅为IRAF的1/10，满足1.2 m望远镜自动调焦的实时性与精度要求。所提方法的调焦效率大致提高37%，具有一定的可行性与实用性。

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。