对于恒星光斑成像，传统的梯度评价算法在重度离焦情况下梯度细节薄弱，难以识别正确的调焦方向。为了实现跟星系统对恒星的快速成像和可靠跟踪，建立了针对恒星成像特征进行评价的自动调焦系统，对系统的聚焦评价算法、自动调焦结构以及自动控制系统进行研究。通过跟星系统成像的灰度分布情况分析光斑图像梯度特征在正焦和离焦时的区别。根据恒星光斑成像灰度级差异变化的特点，将背景值纳入评价贡献，在传统的梯度评价函数中加入光斑信号灰度差异贡献。设计适用改进算法的调焦硬件结构和系统结构，利用步进电机和调焦底座组成调焦组件，通过计算控制单元驱动调焦组件实现自动调焦系统。利用搭载调焦系统的跟星装置进行实验和分析。实验结果表明：自动调焦装置能够在跟星系统中稳定地进行调焦工作，且改进算法相对于传统梯度算法有着更好的调焦方向性，在保持传统梯度算法67%灵敏度的同时，将局部极值点减小为0。改进算法不受梯度细节薄弱影响，能够在不同离焦程度下保持较好的调焦方向性和正焦灵敏性，跟星系统在搭载自动调焦装置后能够快速搜索合适焦距并进行大气光学特性测量。

十字丝目标在CCD上的成像，一般受到环境光和光路的影响，不同位置的焦距产生的十字丝图像会存在边缘模糊和离焦的情况，使十字目标的中心点位置提取受到严重影响，传统的Sobel算法忽视边缘信息，并且容易受噪声影响，因此提出改进Sobel算子图像清晰度评价函数与粗细调焦结合的变步长两段式快速搜索自动调焦的方法。该方法首先利用图像的空间域评价图像清晰度，其次利用根据光学设计选用的两段式调焦方式。第一步进行粗调，先快速找到正焦位置附近，然后进行细调，直至找到正焦的位置。实验表明，该方法与其他算法相比，自动调焦失败率为2%，调焦时间为1242 ms，调焦行程在−25~+30 mm之间。通过该算法将图像清晰度评价函数与两段式调焦方式结合进行自动调焦，准确性高，实时性好。

为了在望远镜设备探测过程中实时调节由环境温度变化引起的光学系统组合焦距偏离，建立了温度与成像焦点位置调节的对应关系。通过理论计算得出卡塞格林望远镜系统组合焦距变化与温度变化的关系，利用步入式可编程高低温箱设计了温度实验，得出系统单位温度焦点位置的变化量，并在实际工作环境下进行了二次标定，得出望远镜设备的离焦量为-0.14 mm/℃。最后，结合理论实验设计了一种基于环境温度反馈的望远镜自动调焦装置，应用于设备外场观测实验，得出自动调焦装置使用前后望远镜系统的成像信噪比。实验结果表明，离焦量与温度变化量具有相关性，调焦装置使用后所成图像的均方根误差由5.056降低为0.729，成像信噪比由41.09提高到49.50。环境温度反馈的自动调焦技术有利于望远镜设备更好地捕捉观测目标，抑制背景噪声，提高信号采集的精确度与参数测量的准确度，增强了外场探测对环境温度变化的适应能力。

数字全息显微技术(Digital Holographic Microscopy, DHM)将光学干涉和光学显微技术相结合，为微观物体的三维形貌、透明物体的厚度/折射率分布提供了一种快速、无损测量手段。数字全息显微可以通过计算机模拟物光波的衍射传播以实现对被测样品的数字调焦。然而，这一过程需要事先知道全息图到物体像面的距离(文中称为离焦距离)。如何自动获得离焦距离一直是数字全息显微技术中的研究热点。为此，文中着重介绍了基于锐度度量、能量集中度、振幅模量分析、稀疏度测量以及不同照明调制的离焦量获取方法。利用该离焦量可以实现对运动样品或动态过程的自动调焦，为运动物体或动态过程的跟踪观测和实时干预提供了有力手段。此外，文中还介绍了数字全息显微自动调焦技术在细胞、三维粒子场上成像、识别和追踪以及生物组织三维成像等方面的应用。

本文提出了一种基于圆边响应曲线的离焦估计新算法，实现了调焦参数的标定和望远物镜的自动调焦。建立了圆形边缘的灰度响应与离焦半径的关系模型，设计了圆四周离焦半径的双阈值均值滤波器，实现了模糊图像离焦半径的精确估计,降低了运动模糊和噪声的影响。根据离焦半径与调焦距离的线性关系，采用折线拟合方法，求解正焦调焦距离。然后，利用多个物距和正焦像距，优化求解测距调焦模型参数，实现了成像系统的自动调焦。仿真和实际实验验证了离焦半径估计算法的有效性和鲁棒性。标定后的自动调焦成像系统图像清晰，拍摄距离在43～52 m之间的物理分辨率接近理论值的一半，可分辨线宽优于0.354 mm.