针对光路对接准直目标识别算法对双目标粘连状态无法判别的问题，提出了基于二进制大对象（Binary Large Object，BLOB）区域和边缘特征分析的准直图像双光学目标识别方法。首先，对二值化图像进行数字形态学处理，计算全图各BLOB区域的面积、中心、轴长、区域、有效BLOB区域个数等信息。其次，对有效BLOB区域个数大于1的完全分离双目标准直图像，统计各BLOB区域中心分别为位于两个面积最大的BLOB区域内的BLOB数量，数量小的候选BLOB区域为主激光目标，数量大的候选BLOB区域为模拟光目标。然后，对于有效BLOB区域个数等于1的待识别图像，从左、右、上、下4个方向分别提取模板边缘图像的有效坐标序列和待识别边缘图像坐标序列，搜索有效坐标序列和待识别边缘图像坐标序列的最大相关系数对应的有效坐标序列。当4个方向的相关系数全部大于0.95时，待识别图像为模拟光目标；当4个方向的相关系数都小于0.95时，待识别图像为主激光目标；否则待识别图像为粘连图像。实验结果表明：提出的双光学目标识别算法，不仅能够识别完全分离的模拟光目标和主激光目标，误差小于3个像素，处理时间小于1 s，而且能够判别处于粘连状态的光学目标和单个独立的光学目标，满足光路对接准直图像识别算法对于自适应性、精度和效率的要求。

为了扩展准直测量的应用领域，提高测量范围是最为有效的手段之一，因此用于准直测量的鱼眼相机应运而生。针对准直测量用鱼眼相机标定精度不高的问题，提出了一种基于插值形式的径向粗标定及基于栅格形式的补偿精标定的两步式准直测量用鱼眼相机标定方法。该方法使用插值而并非构建成像模型，能够有效避免模型不准确及参数设置不合理而引入的系统误差，并且可以在一定程度上抑制镜片加工的非对称性及光学系统装调所带来的偏差。区别于图像评价的峰值信噪比(PSNR)以及结构相似性(SSIM)等性能指标，该方法选择的平均重投影误差(MRE)这一指标能够更有效地衡量准直测量使用条件下相机标定结果的优劣。仿真对比实验结果表明该方法在4种虚拟鱼眼相机模型上的标定效果皆优于传统标定方法，与传统的方法相比，标定的不确定度最大能够改善82.63%。样机标定实验结果表明，该方法能够有效标定真实的准直测量用鱼眼相机，在搭建的真实样机上应用该标定方法后，样机的入射矢量解算的不确定度能够提升至角秒级。

针对复杂光机系统设计中光瞳光轴位置的传递问题，构建了光瞳光轴镜耦合控制的算法模型以及实施控制的解析公式。依据耦合控制流程，阐述了解析公式中各系数的标定过程及其方法。同时通过搭建的试验光路，验证了上述模型及解析公式的合理性。结合探测器靶面上解算出的光瞳光轴光斑中心，通过光瞳光轴耦合镜各自两电机联动控制，可单步内实现光瞳光轴的快速耦合。执行3次不同控制策略下的光瞳光轴耦合，可使光瞳耦合精度达到近场光斑的0.2%，光轴耦合精度达到3 μrad。

分析传统直射式和斜射式激光位移传感器的特性，结合两者的优势，设计了一种基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器。在结构上，利用直线结构取代了大三角的光路布局，形成自准直式光路结构。引入分光比50%的分束镜，与光轴成45°角放置，将会聚透镜和成像透镜合为一枚，并使聚光镜、分束镜和光电探测器共轴，简化了系统结构，减小了仪器体积，同时，推导了符合自准直原理的Scheimpflug条件。利用光学设计软件Zemax对光学系统进行仿真，系统采用单透镜的结构形式，前表面为Forbes非球面，入瞳直径 D=4mm，视场角 2ω=4°，总长 L=20mm，成像质量和系统尺寸均达到最佳。该系统具有测量范围大、分辨力高、结构尺寸小、光能损失小等特点，通过实验与Keyence激光位移传感器比较，该系统能够保证测头分辨力 1μm、综合检测精度 ±2μm的技术指标。

提出一种非稳腔激光器光瞳位置提取的方法，用于光路自动准直中光瞳位置的提取。首先使用双边滤波对原始图像进行预处理，然后用系数β乘以大津算法的图像阈值得到图像的阈值，对图像进行阈值分割。得到二值图像后，对二值图像进行中值滤波。通过边缘提取算法提取二值图像中的轮廓，然后利用轮廓的中心和组成轮廓的点的数目这两个轮廓属性，找到光瞳图像的内轮廓。使用RANSAC椭圆拟合算法拟合内轮廓，以椭圆的中心作为光瞳的位置。本文提出的光瞳位置提取方法，在满足实时性要求的同时，减少了内轮廓噪声对椭圆拟合的影响，提高了光瞳位置提取结果的准确性和鲁棒性。在100帧仿真光瞳图像的内轮廓中添加40%幅值为0~13的随机噪声点的情况下，所提方法比直接椭圆拟合方法的提取结果具有更高的准确性和鲁棒性，提取位置偏差的AVG比直接椭圆拟合的结果小0.283个像素、位置偏差的最大值小0.660个像素、位置偏差的RMS小0.136个像素。

为明确输入光纤及其定位误差对光纤离轴抛物面反射准直器出射光准直特性的影响，采用光线追迹法，针对不同光纤的实测输出，进行仿真研究。结果表明，同样的准直器参数下，输入光纤纤径越粗，对旋转定位误差越敏感，输入光纤纤径越细，对位移定位误差越敏感。相同的反射焦距下，大离轴角、短母焦距准直器下出射光束指向更稳定；小离轴角、长母焦距准直器下出射光束的角度能量分布更稳定。研究结果为高精度法布里-珀罗定标源等角度能量分布敏感光学系统中的准直器参数设计和光机结构稳定性要求提供了参考。

为实现真空100 K低温环境中的红外设备测试，设计了一种离轴三反式的准直系统。该系统采用无热化设计，整机结构选用SiC材料，在镜体与支撑结构连接处采用C形开口胀销作为柔性结构，补偿连接结构的低温变形。系统整体除反射镜外，其余部分全部包裹在低温辐射冷板内。低热导绝热支撑结构在热传导链中起热屏蔽作用，实现系统的绝热支撑和快速制冷。在100 K低温环境下对单镜进行仿真分析，主、次、三镜的面形误差均小于λ/50；整机分析得到主、次、三镜的面形误差均不大于λ/30。常温下系统各个视场波前差在λ/14~λ/8内，低温下系统视场波前差在λ/8~λ/7内，根据瑞利判据可认为波面无缺陷。当λ=632.8 nm时，常温下系统在50 lp/mm频率的调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）大于0.7；低温下的MTF大于0.6，满足系统在50 lp/mm MTF大于0.6的使用要求。仿真结果表明，准直系统可以在100 K真空环境中稳定输出平行光，满足低温红外设备的测试需求。在快速辐射制冷材料级实验中，历经18 h，温度稳定在130 K；历经30 h，SiC镜坯温度稳定在110 K。该实验验证了SiC反射镜快速辐射制冷的可行性。