在对目前水下成像系统现状进行调研后, 分析了影响水下成像距离和成像质量的主要因素, 即后向散射。突破了传统水下成像系统分视场、多探测器的成像方式, 利用光学设计软件Zemax设计了一款大相对孔径、大视场的水下成像光学系统。系统只采用一个光电探测器, 波长486 nm~656 nm, 相对孔径1/1.8, 视场角120°, 采用9片透镜, 无非球面, 简化了透镜加工过程及成本。中心视场的艾里斑尺寸3 μm , 在奈奎斯特频率60 lp/mm, 时, 各视场的调制传递函数曲线均高于0.7。同时, 对大视场系统产生的高畸变进行校正, 畸变小于5%, 成像质量很好。此系统可广泛应用于水下探测、海洋开发、海底资源勘探、水下反恐等领域。

由于受系统体积限制, 目前激光引信大视场探测方式无法满足小型化结构简单的需求。针对激光引信弧矢方向无漏探测、子午方向窄视场探测的技术要求, 提出了一种小型化大视场激光引信发射光学系统的设计方法, 采用由三个管芯线型阵列排布的隧道结半导体激光器作为发射光源, 合理选择光学视场空间布局方式, 设计了三象限扇形轮流发射方式激光引信发射光学系统, 其特点在于体积小、视场大、结构合理, 装调简单, 单路发射光学系统体积为8 mm×8.2 mm×15 mm, 单路弧矢方向探测视场达120°。设计的发射光学系统能够满足弹径为Φ70 mm的便携式防空导弹激光引信大视场目标探测要求, 解决了周视激光引信小型化的需求问题。

可见—近红外波段(400～1000 nm)成像光谱仪是光谱探测的重要组成部分。基于地基可见—近红外成像光谱仪的实际应用要求，提出了一种采用面阵探测器的凝视扫描成像光谱仪。该光谱仪还采用了一种新型分光器件声光可调谐滤波器(Acousto-optic tunable filter, AOTF)。其特点在于光谱的选择和施加在它上的射频信号频率相关；通过程序控制射频信号，就可以控制光谱。利用设计的光谱成像原理样机进行了地基月球观测实验。基于实验的特点，在光学设计的基础上增加了另一路共轴辅助光学，以进行粗定位。在获取成像结果之后，进行了辐射定标和尺度不变特征变换(Scale Invariant Feature Transformation, SIFT)图像拼接处理。结果表明，利用二维指向机构和面阵凝视成像系统，结合SIFT图像拼接算法，可有效获取宽幅高分辨率光谱图像。

通过分析两步法制彩色全息图中全息图空间带宽积与物体大小、全息图记录距离的关系，提出了一种拍摄大尺寸物体彩色全息图的方法。经编码，设置参数，在视窗处平面记录下三分色全息图, 以保证用最小的幅面记录下物体的完整信息，并且H1rgb处于同一平面经原参考光的共轭光再现时，他们的再现像能完全重合; 将H1rgb再现，获得大视场的物光波信息，三基色物波信息重合后，用光学方法记录大幅面的彩色全息。该方法能提高全息图再现像的视场和解决大尺寸物体的全息图难拍摄问题。 经实验验证，该方法能将全息图再现像的视场提高6倍左右。

激光扫描系统中f-θ透镜是必不可少的部件,针对目前国内激光扫描系统工作面小、测量速度慢、测量精度低等缺点,设计出一种大视场大相对孔径f-θ透镜以改善以往系统的不足,提高工作效率.设计中透镜是一种负畸变透镜,属于像方远心光路,预期参数为2ω=60°,D=120 mm,f=500 mm.经过计算后,利用Zemax软件对f-θ透镜模型进行了优化设计,得到艾里斑直径3.514 μm,扫描范围为500 mm×500 mm,相对孔径为6/25的大工作面大相对孔径的f-θ透镜,成像清晰,优化结果达到了预期的设计指标.

为了在±15°视场角范围内获得工作谱段范围在400 nm~ 900 nm声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪系统的二维空间信息以及一维光谱信息, 设计了一种应用于AOTF 成像光谱仪的光学系统。介绍AOTF的工作原理, 根据AOTF 成像光谱仪总体方案, 对前置系统及后置成像系统进行了设计。设计中前置系统采用倒置的伽利略望远镜结构, 后置成像系统采用改进的库克三片式结构。最终完成了一个焦距为19.311 mm, F数为12.3, 在34 lp/mm 的空间频率下各视场调制传递函数( MTF) 均值大于0.5的光学系统。

人工复眼成像结构是由分布在曲面上的列阵化的镜头组成, 通过对每个子镜头的视场角进行分析, 进而研究各镜头视场之间的关系, 以及分析子镜头视场角与总视场角之间的关系, 提出了一种最优化的人工复眼结构设计方法。同时, 在文中, 给出了单镜头的设计方法, 以及镜头阵列的排布准则, 通过利用该方法设计的成像结构, 不仅可以实现整个物空间的完整无缝探测, 同时又使得要达到特定视场时设计所得的人工复眼结构采用的镜头数最少, 极大的节省了资源。在本文中还通过开展实验, 对所设计结构的成像效果进行了验证。

针对大视场线结构光视觉传感器的现场标定，提出了一种基于自由组合一维靶标的标定方法。自由组合多个一维靶标并固定，其中每个一维靶标至少包含 3个共线特征点。靶标在传感器测量空间内自由摆放至少两次。以一维靶标两两之间夹角恒定为约束求解摄像机内部参数；由一维靶标消影点性质和特征点之间距离约束，求解各特征点在摄像机坐标系下的空间坐标；根据交比不变计算光平面与各一维靶标交点的摄像机坐标，拟合出光平面方程。实验表明，该方法可获得与平面靶标相当的标定精度，具有靶标加工容易、精度高、摆放次数少的特点，适合大视场线结构光视觉传感器的现场标定。

大视场光电成像显示设备中会出现光学系统引起的图像几何畸变现象。为了提高显示设备畸变校正效果，并克服传统BP 算法存在局部极小点、收敛速度慢等缺点，采用了基于优化理论的LM算法来改进传统BP神经网络算法。提出一种含有双层隐含层的BP神经网络畸变校正方法，可在不确知畸变数学模型情况下,实现自适应地建立畸变图像与原始图像之间的高精度映射关系。在Matlab平台上进行算法的深入分析和比较。仿真结果表明，双隐含层BP神经网络算法易于实现、数据处理能力强、校正精度高。与多项式拟合方法的畸变校正模型相比，基于双隐含层BP神经网络算法的畸变校正模型的各项精度指标提升显著。