异型微小构件是一种通过轧制、挤压、拉拔等工艺制成的形状复杂、加工边界不规则的结构件，被广泛应用于高端钟表、电子五金、医疗器材等行业。在目前的生产过程中，多通过人工利用显微镜实现异型微小构件的几何尺寸测量，存在劳动强度大、生产效率低、测量精度不稳定等问题。鉴于此，提出一种利用线结构光的异型微小构件几何尺寸测量方法。首先，利用张正友标定法获取工业相机内外参数和畸变系数，结合Steger细化法和最小二乘法对线结构光平面进行标定；其次，基于Microsoft Foundation Classes和OpenCV编制异型微小构件几何尺寸测量程序；最后，利用标准量块对该方法的测量精度和可重复性进行评价，开展3种规格的异型微小构件几何尺寸测量试验。结果表明，无论是在宽度方向还是高度方向，该方法的整体测量误差均小于0.1 mm。该方法达到了较高的测量精度，能满足实际生产需求。

由于缺少可参考的散斑图案，单目激光散斑投影系统需要借助精密的测距仪器，提前拍摄不同标准距离处的散斑图像，测量效率较低，且无法在线校正系统的光轴偏移。针对上述问题，提出一种基于单目激光散斑投影系统的外参数标定方法，可将单目激光散斑投影系统等效于带有散斑图像的双目立体视觉系统。通过调整标定板的位姿，计算同名散斑点的空间三维坐标，解算红外相机与激光散斑投射器之间的位姿关系，并对其进行迭代优化，生成投射器的虚拟散斑图像。实验结果表明，所提方法的位移测量误差低于0.16 mm，标准球的半径测量误差低于0.13 mm，且在一定的深度范围内，深度重建结果明显优于Astra-Pro的探测结果。所提方法可有效提高单目激光散斑投影系统的标定效率和深度重建精度。

为了减小在提取目标偏振信息时器件参数偏差引起的误差，需要对器件参数进行检测标定。提出了通过Savart棱镜的分光成像实验对Savart棱镜的参数进行了标定的方法。基于分振幅偏振相机进行仿真，使用计算结构相似度和最小二乘拟合法对解调效果进行定量分析。通过偏振成像实验对不同偏振状态下的解调图进行了对比。分析了参数误差对不同Stokes分量的影响并验证了参数标定方法的有效性。

针对现有多相机系统在无公共视场时标定过程繁琐问题，提出了一种基于旋转标定板的多相机系统标定方法。首先通过拟合旋转靶标轨迹实现转轴拟合和建立系统坐标系；然后各相机获取单幅完整的靶标图像，使用PnP算法解算相机与转台系统间的位姿关系；接着将转台转角通过罗德里格斯公式转换为靶标旋转前后的旋转矩阵和平移向量；最后使用计算所得的变换关系实现对多相机系统的标定。实验结果表明，本文方法不受限于相机的视场范围，能够快速、自动地标定多相机系统，在测量精度上也满足大尺寸测量需求。

机器视觉应用场景复杂化和功能需求多元化给三维成像技术带来巨大挑战。针对复杂环境及受限空间的目标重建和场景感知问题，结构简单且性能可靠的单相机三维视觉成像技术能够提供重要的解决途径。在阐明单相机三维立体视觉成像理论模型的基础上，根据相机运动情况以及采用的反射、折射或衍射等附加光学元件的情况，分类介绍了单相机三维视觉成像系统组成、基本原理和实现方法。从视场范围、空间分辨率、视角灵活性、动态响应性、环境适应性等角度，分析了现有单相机三维视觉成像方法的优越性和局限性。围绕三维重建精度及成像质量提升问题，回顾了相机与附加光学元件未对准参数的主要标定方法。结合单相机三维视觉成像的技术挑战和应用前景，展望了其在实现大视场高分辨率、高动态高实时性、复杂环境适应性等方面的发展方向。

受到测量方法的限制,现有的辐射校准系统只能在小-中型红外成像模拟器光学系统的透过率发生变化时实现辐射测量,无法在大型红外成像模拟器的视场光阑发生变化时实现辐射测量。针对大型红外成像模拟器部分仿真状态无法评估的问题,提出基于成像/光强变化响应的测量方法,并设计新型红外辐射校准系统。系统研制完成后,针对红外成像模拟器多辐射参数测量的需求,提出多参数标定方法进行系统标定。系统的辐射照度为6×10 ^-10~7×10 ^-4 W/cm ²,工作波段为2.05~2.55 μm和3.70~4.80 μm,测量不确定度为1.88%。最后,利用新系统校准大型红外成像模拟器在不同仿真状态下的输出辐射。校准结果表明,新方法和新系统可以使大型红外成像模拟器在全仿真状态下实现多参数测量。

椭偏仪实现高精度测量的关键在于模型值的精准标定,而随机误差是影响标定精度的重要因素。从椭偏仪随机误差的产生原因入手,针对零阶噪声受限、一阶噪声受限、二阶噪声受限三种可能存在的系统,对测量结果随机误差进行了数值估计。为了降低测量结果的随机误差,采用枚举法和遗传算法,得到了三种系统下的最佳配置。数值分析和实验结果表明,比起常用的配置,最佳配置下的随机误差可以降低1/3以上。本文虽然仅给出三种噪声受限系统的最优配置,但是噪声估计结果和优化方法可以适用于多种噪声模型共同存在的模型。

在椭偏测量中,采用直通式标定方法准确标定出系统模型参数对于样品的精确测量至关重要。由于双旋转补偿器式Mueller矩阵椭偏仪(DRC-MME)高级参数模型复杂,参数数量较多,且部分高级参数之间存在相互级联和耦合,为保证标定结果的准确性,实验中各个参数之间的独立性关系需要被检验。针对这一问题,使用奇异值分解、泡利矩阵和其他数学工具,从理论上对DRC-MME直通标定实验的自由度进行研究分析,明确在数据拟合过程中的“无用”参数,并通过仿真实验验证研究分析结果的正确性。最后搭建实验平台,开展了直通标定实验,得到了符合实际物理意义的高级参数标定结果,并使用标定好的高级参数模型对硅衬底上二氧化硅薄膜厚度进行了测量,测量结果与标称值相差1.9 nm,重复测量精度为5.31 pm。所提对直通标定实验自由度的研究分析方法不仅适用于椭偏仪,也可为其他的多参数优化过程提供一个分析思路。