针对激光外差干涉仪测量过程中测量镜随被测对象旋转而导致的位移测量误差，提出了一种基于卡尔曼滤波的激光外差干涉位移测量补偿方法。根据测量镜转角和测量光束光斑位置变化对应关系，利用位置敏感探测器（PSD）和位置电压信号卡尔曼滤波方法测得降噪后的光斑位置变化，从而获得更为准确的转角测量结果，最后根据转角与位移的解耦数学模型利用测得的转角进行位移补偿。为验证滤波算法和位移补偿方法的可行性和有效性，搭建激光外差干涉测量实验装置，分别进行光斑位置稳定性测量实验、角度测量验证实验和激光外差干涉位移测量补偿实验。实验结果表明：经卡尔曼滤波降噪后系统装置测得的光斑位置抖动标准差从0.52 μm降至0.18 μm，测量的转角与索雷博六自由度转台的转角偏差在±1.38×10^-4°内，对M-531.DD线性导轨200 mm量程内的位移和转角进行测量，将测得的转角进行位移补偿后，系统的位移测量结果与M-531.DD线性导轨位移的标准差从1.55 μm减小到0.29 μm。

为解决原子力显微镜（Atomic Force Microscope， AFM）系统更换探针后光路调整复杂耗时、精度不足的问题，本文首次提出通过精密控制探针与探针夹装配位置来实现更换的探针相对AFM系统原光路位置的一致，进而实现免去AFM系统换针后调整光路步骤。该系统的光路一致性组件采用光束偏转法对探针位置与偏转进行放大与监测，并使用高精度位移与角度调节平台进行探针相对于探针夹的方位调整。通过实物搭建对探针一致性效果进行了验证，并对紫外光（Ultraviolet， UV）胶水固化过程导致探针位置偏移影响；探针不同偏移量时产生的探测器噪音对AFM系统成像质量影响进行了系统分析。实验结果表明：经由该系统装配的探针平均位置精度接近1.1 µm；并且在AFM系统中更换一致性探针仅需8 s。该系统实现了高精度且质量稳定的探针一致性装配，极大地简化了AFM系统重新校准光路的操作步骤，其与自动换针装置配合可有效提升工业计量型AFM的操作与测量性能。

为了同时确定监测结构的位移大小和方向，提出了一种基于光纤光栅组合的大量程、结构简单的机械传感装置。该传感装置以U型不锈钢结构组合光纤光栅为核心传感单元，以杠杆杆件来传递位移，测点位移大小和方向可以通过杠杆杆件两侧的U型不锈钢结构上的光纤光栅波长漂移计算得出。开展了传感装置6组辅助结构（核心传感单元）的标定试验，结果表明所有传感单元均具有较高的线性度，测量范围为0~140 mm，灵敏度为4.362 pm/mm，迟滞性误差为3.25%，重复性误差为6.62%。将传感装置用于室内堆积体边坡模型试验中，研究它们在土体连续滑动变形过程中的监测性能，并与粒子图像测速技术测量的土体位移变化进行比较，两种技术数据上呈现出较好的一致性、吻合度较高，表明所研发的光纤光栅矢量位移测量传感装置能够准确捕获坡面矢量变形，在智能监控领域有广阔的应用前景。

针对现有光纤无法满足宽带光密集波分复用系统传输和S+C+L波段粗波分复用的要求，设计了一种具有中心凹陷的三角形芯+环形的折射率剖面，利用外部气相沉积工艺制备了一种非零色散位移光纤，并通过调整第一芯层的相对折射率和第二芯层与第一芯层的半径比，探究了其对光纤衰减、色散斜率和有效面积等参数的影响。研究发现，当第一芯层的相对折射率逐渐增大且第二芯层与第一芯层半径比逐渐减小时，零色散波长和有效面积逐渐减小。当第一芯层的相对折射率在0.52%~0.53%，芯层半径比在2.6~2.7时，光纤的有效面积接近70 μm²，零色散波长在1 420 nm附近，在1 550 nm波段的色散系数大于8 ps·nm^-1·km^-1，色散斜率为0.059 ps·nm^-2·km^-1，可以较好地抑制传输过程中光非线性效应，满足长途干线网与城域网的使用要求。

光栅干涉仪位移测量系统作为测量领域中最精密的测量仪器之一，由于在测量过程中光栅的姿态位置无法保证完美装配，使得光栅的光栅矢量方向与运动矢量方向之间出现偏差，导致位移测量结果出现周期性非线性误差。文中针对在光栅干涉仪位移测量过程中出现的光栅与位移台以及读数头之间的姿态位置误差进行分析，通过分别建立位移坐标系及光栅坐标系，参考惯性导航领域中飞行器姿态表示方法，利用一维光栅的横滚、俯仰和偏航角共同描述一维光栅相对于位移台的装配状态。通过基于矢量衍射理论分析光栅干涉仪位移测量时三个维度的角度偏差量，对可能产生的位移测量误差进行了分析说明。基于广义一维光栅方程，探究出了一个更为普遍的结论，为后续装置的改进提供理论依据，以提高系统的测量精度。

共焦显微测量是一种很有前景的技术，具有非接触测量和高精度位移识别能力，广泛应用在芯片加工、高精密仪器制造、生物医学、材料化学、工业检测等领域。其沿轴向位置高精度扫描的二维图像可用于三维重建，然而，扫描的速度限制了图像的采集速率，为了克服这一局限性，研究人员提出了许多方法对传统的共聚焦显微镜系统进行了改进。例如，基于扫描振镜光束扫描型共焦显微镜、基于数字微镜装置的共焦显微镜、差分式扫描共焦显微镜等。本文主要讨论了各种共聚焦显微镜的工作原理、物镜类型、扫描方法、优缺点及应用。随着光学核心部件的升级和各种准确、高效算法的出现，未来共焦显微镜的扫描速度会更快、应用范围更广、分辨率更高。

针对高精度位移传感器难以加工的难题，提出一种基于离散绕组的磁场式时栅位移传感器。通过设计离散激励绕组排布方式与感应绕组的形状控制感应位移信号的变化规律，通过组合测量方式实现精密位移测量。通过理论建模、仿真分析与实验验证揭示了激励信号误差和安装偏差对传感器测量精度的影响规律。实验结果表明：两路激励信号的幅值不等和安装偏差都会在对极内测量精度中直接引入直流分量误差和2次谐波误差，其中2次谐波误差是误差的主要成分。安装偏差越大，2次谐波误差越大，动尺沿Z轴偏摆姿态对测量精度的影响最大，沿Y轴翻转姿态引入的误差次之，沿X轴俯仰姿态引入的误差最小。误差修正后传感器在144 mm的测量范围内，测量误差峰峰值为4.5 μm，分辨力为0.15 μm。通过毫米级尺寸的激励和感应绕组实现微米级精度测量，可显著降低传感器的制造难度，具有重要的工程应用价值。