提出一种基于计算成像理论的端到端衍射元件设计方法，通过全局性优化方案将光学设计和图像复原作为整体，从而降低前端光学系统的成像质量要求，并利用图像复原算法去除残余像差以简化系统。所提设计方法涵盖光场传播、探测器去噪和图像后处理等关键环节的模型建立与联合优化。该设计方案可用于景深延展的轻薄型衍射元件的设计，且所适用的大景深的简单光学系统具有较高的成像质量。

小肠肠道发病原因隐匿并且小肠存在大量褶皱，大景深光学系统有利于在诊断过程中获得更多的病理信息，而目前市面上的胶囊内窥镜光学系统景深较小。所提胶囊内窥镜光学系统在保证一定分辨率的同时，还可在7~100 mm大景深范围内有效成像。该系统视场角为100°，F数为5，在全视场范围内调制传递函数均大于0.35（在125 lp/mm频率处），在与之搭配的OV9734成像芯片上能够满足成像要求。并对该光学系统进行了公差分析，结果表明其在可加工范围内能满足常规生产与装调。

太赫兹波在生物学和危爆物检测等领域有广泛的应用前景，但其在成像上会受到探测器灵敏度的限制。搭建一套基于太赫兹量子级联激光器的自混合相干成像系统，将全息成像技术与自混合干涉测量相结合，实现太赫兹波段的大景深成像。利用自混合收发一体的特性，在不同偏焦程度下，对分辨率板上每毫米2个线对的区域进行二维成像，在偏焦56倍波长条件下得到与焦平面处相同的图像对比度。

针对传统图像增强Retinex去雾算法未考虑有雾图像景深信息，整幅图采用同一尺度复原而导致的局部颜色失真、图像细节丢失等问题，提出一种基于景深信息的自适应Retinex图像去雾算法。从场景雾的浓度与景深密切相关出发：首先利用BTS深度学习模型得到有雾图像的景深估计；然后以图像的平均梯度作为最优评价标准，对有雾图像分块处理并采取不同的高斯滤波尺度进行Retinex增强，统计出最优高斯滤波尺度与其对应的景深估计平均值；接着通过梯度下降法对统计数据进行拟合，得出景深估计与高斯滤波尺度的参数模型并将模型应用到单尺度Retinex去雾算法对有雾图像进行分块处理；最后通过计算均值和均方差，再加上一个控制图像动态的参数来实现无色偏的自适应对比度拉伸以及使用双线性插值映射使图像分块边缘过渡更加连续，从而得到增强的去雾图像。实验结果表明，经过所提算法去雾处理后的图像标准差、平均亮度、信息熵、平方梯度等评价指标均高于对比算法，实际效果对比度较高，图像细节保持完好，且抑制了过度增强。基于景深信息自适应Retinex图像去雾算法能够有效保留图像细节，颜色自然，符合人眼视觉特性，自适应程度高，明显优于传统Retinex去雾算法。

短波红外波段具备全天时、全天候成像的优良潜力，借助焦平面探测阵列在现代社会发挥着日益重要的作用。为了解决短波红外成像系统的离焦问题以提升平台适用性，将波前编码技术引入短波红外波段。针对无法配置调焦机构的轻小型短波红外成像系统，在光瞳位置放置三次方型相位板扩展景深。将相位板参数转换为径向坐标系数，利用调制传递函数一致性和图像可恢复性优化该系数。利用640 pixel×512 pixel的短波红外图像仿真波前编码成像性能，通过Lucy-Richardson经典算法还原中间模糊图像。光学设计和图像仿真结果表明，波前编码系统至少在±20倍景深范围内能够有效降低系统对离焦的敏感性，复原图像峰值信噪比最高可达38.5038 dB。

针对现有利用液晶透镜获取扩展景深图像的方法需要较长时间的问题，提出一种提升液晶透镜扩展景深融合效率的方法，该方法可以缩短获取扩展景深图像的时间。利用液晶透镜在正负状态之间切换时保持透镜效果的特性，获取图像进行计算。通过考虑每个图像的景深，减少融合所需要的图像数量，从而缩短图像处理的时间。所提方法的图像使用数量减少至现有基于液晶透镜的景深扩展技术的31.2%，计算时间减少至34.38%，合成效率显著提升。所提扩展景深图像质量的方法在主观评价与客观评价上均获得了较好的实验效果。

为了使空间光调制器实时产生大景深的再现像, 运用GS算法计算出不同参数下的全息图。通过计算全息重建算法仿真得到不同傅里叶全息图下的再现像。在无傅里叶变换透镜的情况下, 利用计算机将不同参数下的傅里叶全息图输出到空间光调制器, 通过分析二维实时动态显示的再现像表明, 当傅里叶全息图的采样点数为1 024×768, 采样间隔为18 μm时, 再现像景深为275 cm, 该参数下再现像景深最大; 通过分析不同参数的傅里叶全息图再现像, 实验结果表明相位图像元尺寸越小再现像景深越大, 并且在相同参数下有傅里叶变换透镜时的再现像景深小于无傅里叶变换透镜时的再现像景深。

针对一些光轴稳定性要求较高的高空使用战斗机挂载光电系统，分析了光学系统设计中提高光轴稳定性的几点要素，给出了消热差公式的条件，推导了景深公式，并给出了四种提高途径：采用较大温差范围的光学全被动补偿无热化设计、降低公差灵敏度、提高结构件的刚度和强度、使用景深调焦机构(满足较大作用距离的机载高低空使用要求)。介绍了一种小型机载近红外无热化变焦系统的设计思路。该系统采用光学补偿，有4个透镜组(最后一组为景深调焦机构)，在-55~70℃温度范围内均具有较好的像质、较宽松的公差特性和较好的光轴稳定性。