光是视觉感知的根本。光学技术的发展,延伸了视觉感知的范围。视觉是人类获取信息的主要渠道,包括亮暗、颜色、形状、深度等不同感知维度。随着数字化时代的到来,通过光学技术来科学的、数字化的测量并表征目标物特性成为了仪器研究的重点。本论文的主要工作是研发光学仪器以测量目标的光谱信息和三维形貌信息。众所周之,人眼仅仅能够区分三种颜色,而本文设计的成像光谱仪能够在光谱维度上更精细的分析目标物,同时记录目标的二维图像信息,这大大的扩展了人类视觉感知的极限。另一方面,本论文也设计了光片三维形貌仪,以准确的、数字化的采集目标物的三维形貌信息。最后在论文中尝试去融合目标物的三维形貌数据和高光谱图像数据,从而建立高光谱三维模型。具体而言,本论文设计了成像光谱仪硬件,并实现了多种扫描方法以及图像拼接算法,其中包括推扫式、旋转式和自由扫描式。论文中设计的成像光谱仪构造精巧,采用棱镜-光栅-棱镜分光模块实现共轴结构,可安装在1英寸的光学套管内;同时保持卓越的性能,其光谱范围覆盖了可见光波段,并且光谱分辨率高达5纳米。我们在实验中复现了推扫式扫描方法;并且深入研究了旋转式扫描方法,该方法不同于传统的推扫方法,以凝视成像的模式得到无畸变无缺失的高光谱图像;论文还尝试了自由扫描方法,被动的通过姿态传感器定位成像光谱仪角度,结合相关的算法拼接出目标的二维图像。区别于成像光谱仪的传统的主动扫描技术,被动扫描技术无需机械位移装置,简化了扫描系统结构。本论文设计了光片雷达三维形貌仪。其中之一是基于三角测距法的显微光片三维形貌仪,基于显微物镜的高倍放大率的特性,它能够精密的还原出微小物体的表面形态。针对目标物玉米种子的半透明的特性,论文中设计了边缘提取算法,准确的还原光片照射的位置。此外,针对较大深度范围的使用场景,论文中还设计了一种满足沙姆定律的三维形貌测量系统,并从理论和实验两方面进行了详细的分析阐述。将目标物放置在旋转平台上,而固定沙姆雷达光片形貌仪的位置,从而采集并复现目标物全方位的三维模型。从已有的研究看来,这是第一次对目标物三维模型进行整体采集。本论文建立了融合高光谱数据的三维模型。基于双目视觉技术,通过手动匹配特征点对的方法得到其距离,并且运用三角剖分的技术建立三维模型。此外为了得到更好的效果,实验中结合了光片雷达和成像光谱仪硬件,通过相应的算法以融合三维点云和高光谱图像,从而建立目标物的高光谱三维点云模型。本论文的研究内容有很强的实用性和创新性,为未来的光学检测技术提供了新的有潜力的技术探索。