提出了一种用高阶抑制二维达曼光栅作为分光元件替代普通衍射光栅实现微透镜阵列焦距快速测量的方法。高阶抑制二维达曼光栅具有优良的分光效果，且高阶衍射级次能够得到有效抑制，通过信噪比的提高降低焦距测量误差。设计并制备了一分五的高阶抑制二维达曼光栅，分束后的光束经过微透镜，在其焦面附近形成高对比聚焦光斑阵列。相比常规一维光栅，所提方法通过测量每个微透镜焦面内光斑两两之间的距离，得到多个焦距值，从而有效减少测量的随机误差。实验结果表明，该方案对微透镜阵列焦距的单次测量误差小于3.5%，重复测量误差在4.5%之内。该方案对微透镜阵列的焦距分布快速评估具有实用价值。

当自动对焦用于玻罗板线纹等方向性强的目标时，线纹方向的不确定性导致一些清晰度函数的鲁棒性降低甚至无法找到对焦位置。针对上述问题，通过Hough直线检测得到离焦线纹的角度，构建一种基于Hough变换的线纹清晰度评价函数，该函数的灰度算子垂直于线纹，对线纹方向变化具有较强的鲁棒性。为了比较线纹方向对清晰度函数性能的影响，对5组不同角度的线纹图像进行评价，得到清晰度曲线，并引入平缓区标准差等参数对曲线进行定量评定。实验结果表明，与传统的评价函数相比，基于Hough变换的评价函数的平缓区均值减小59.85%，标准差减小46.05%，对焦偏差减小92.63%，平均运行时间减少36.37%，镜头焦距的相对误差减小62.12%。

光学透镜是光学仪器中最基本的器件，而焦距又是光学透镜最重要的特性参数，如何精确测量透镜的焦距一直以来都是研究重点，然而目前鲜有针对紫外透镜焦距测试的研究。本文结合紫外透镜的特点，对一种基于反射式平行光管的紫外透镜焦距测试方法进行了研究，并以此设计出了一套紫外镜头焦距测量系统，同时选用了不同焦距的紫外镜头进行了实验，最后对系统进行了误差分析。实验结果表明，该测量系统可以对紫外镜头焦距进行高精度测量，25 mm镜头的测量误差为 2.041%，100 mm镜头的测量误差为 0.934%，验证了测量系统的准确性。

设计了一种用于LD耦合透镜焦斑位置检测的显微图像视觉成像系统, 该系统由远心镜头、环形LED光源、工业用数码相机和前进运动控制器组成。分别对模组外圆直径与中心检测和对LD耦合透镜出射LD激光焦斑中心和位置检测, 得到耦合透镜的焦距及LD偏心度, 为后续与光纤的耦合提供精确定位。实验数据表明, 该系统偏心测量标准差小于 5 μm, 焦距测量标准差小于±0.1 mm, 能准确获得聚焦光斑和底座圆心的相对位置关系, 实验结果精确、测量效率高。

基于朗奇-泰伯效应及莫尔条纹技术,利用发散光和不等周期光栅的焦距测量方法被用于小口径长焦透镜的焦距测量。将一块曲率半径存在加工误差的平凹长焦透镜作为待测透镜进行焦距测量。在未知透镜真实曲率半径的情况下,首先计算待测透镜曲率半径误差对焦距检测精度的影响,并确定透镜在整个检测系统中的位置,然后进行透镜焦距实际测量,分别计算多组测量焦距值。通过对比发现,在未知待测透镜曲率半径的情况下,检测焦距的重复性、稳定性均一致,所测焦距均为33200~33270 mm,且重复性精度高于±0.055%,测量精度优于焦深的1/5。结果充分说明,所提方法对小口径长焦透镜的焦距检测是可靠、有效的。

为了满足100m~3km特长焦距参量的测试校准需求, 采用Talbot-Moiré条纹技术法, 设计了一套长焦测焦仪。针对影响仪器测量不确定度的系统参量, 分别设计了校准方法, 并对仪器测量不确定度评定结果进行了实验比对验证。结果表明, 校准后仪器测量不确定度评定为6.4%; 校准后的长焦测焦仪测量结果与刀口仪测量结果满足测量不确定度比对公式; 对比结果最大为0.64, 小于1; 长焦测焦仪测量不确定度评定合理。该研究验证了长焦测焦仪系统参量校准方法的可行性。

随着中长焦距光学元件在光学遥感、高功率激光器和天文望远镜等系统中的广泛应用, 对这类光学元件焦距的高精度测量提出要求。在双光栅干涉焦距测量技术的基础上, 提出了一种新的改进算法。该算法通过Moiré条纹倾斜角度与待测元件焦距之间的函数关系得到焦距计算公式, 并利用入射平面波时Moiré条纹的理想状态优化了该计算公式, 解决了Moiré条纹倾角基准线的确定问题, 提高了Moiré条纹角度求解精度。采用2块周期为20 μm的朗奇光栅搭建了长焦距测量装置。实验测得的透镜焦距为36.690 m, 测量重复精度达0.382‰。

为了实现高能激光材料热效应参量的在线测试,设计了一套50mm口径的测量装置。装置采用准直He-Ne激光为光源,准直光经激光材料后的光程差用Hartmann-Shack波前传感器检测。根据波像差分解理论及波前变换关系,获得了高能激光材料热效应参量。分析评估了装置的扩展测量不确定度,对影响测量不确定度的系统参量进行了校准,最后设计并完成了测量不确定度对比验证实验。结果表明,系统波前畸变测量不确定度为0.06λ, 30m~120m范围热焦距的扩展测量不确定度为8.4%。该系统能有效地用于高能激光材料热效应参量的在线测试。

为提高长焦红外光学系统焦距测量的准确性, 提出一种将干涉测量、光电自准和激光跟踪技术相结合的焦距测量方法。基于光学系统波前干涉测量光路, 利用波前的power值对球面反射镜位置非常敏感的特性, 结合激光跟踪仪的空间几何量精密测量和光电自准直仪的精密测角功能, 实现长焦红外光学系统焦距的高精度测量。实验中对一理论焦距为1 520 mm的航空长焦红外光学系统进行测试, 并结合测试设备的测量精度进行误差分析, 5次测量的标准偏差为0.930 mm, 测量误差小于0.2%, 满足测试技术要求。结果表明这种方法用于长焦红外光学系统焦距的测量是合理可行的。