拉曼光谱技术因其可有效避免样品中水的干扰、样品前处理简单、可快速无损分析以及表面增强拉曼可极大增强检测灵敏度等显著特点,在药物分析领域中的应用逐渐增多。本文旨在概述十几年来拉曼光谱技术在药物鉴别、药物定量分析、药物晶型分析、药物生产质控过程监测、药代动力学等方面的具体研究实例,对拉曼光谱技术在药物分析领域中的研究应用进行一次较为全面的综述,为之后该领域研究提供必要参考。

在激光测距仪镜头组件的自动化装配中, 快速、精准识别感光元件雪崩光电二极管( APD)的定位坐标, 对于完成镜头焦点的精确对位以及提高图像处理效率至关重要。针对 APD的图像识别与定位过程, 本文提出一套基于机器视觉的高效、高精度的图像处理算法。首先在粗定位图像处理阶段中, 为提高运算效率, 利用抗干扰性强的高斯金字塔搜索归一化互相关匹配( NCC)算法, 对图像中的 APD进行粗定位。在边缘检测中, 采用 Otsu算法自适应地根据梯度图像变化生成高低阈值, 避免了传统 Canny算法的手动设置高低阈值的难题。在目标轮廓提取阶段采用连通域标记法, 过滤掉孤立的像素点和非目标区域像素点, 保证了下一步的轮廓拟合精度。在最后的轮廓拟合精定位阶段中, 通过对两种拟合算法比较过程中, 确定最小二乘法圆拟合亚像素定位算法进行 APD轮廓拟合, 可以保证效率和定位精度, 实验结果表明整个图像处理系统用时 596 ms、定位精度 0.4 pixel, 相对误差为0.64%, 实现了 APD图像快速、精准定位的过程, 提高了定位精度和效率。

时间相关吸收光谱技术, 如腔衰荡光谱技术(CRDS)和腔衰减相移光谱技术(CAPS), 是近三十几年发展起来的一类新型吸收光谱检测技术, 它具有探测灵敏度高、 响应速度快、 不受光源强度起伏变化影响等优点。 传统的吸收光谱技术都是基于Lambert-Beer定律, 如直接吸收光谱技术(DAS)、 波长调制光谱技术(WMS)和腔增强吸收光谱技术(CEAS)等, 这类光谱技术在探测物质微弱吸收的时候一旦遇到较强的背景光信号就变得难以测量, 而且光源的不稳定性也会对检测带来一定的限制。 时间相关吸收光谱技术由于其不受光源强度起伏变化的特点, 在很大程度上能够弥补传统吸收光谱技术所存在的缺陷, 但其也有自身的局限性。 首先在理论上, CRDS和CAPS这两种时间相关吸收光谱技术并不统一, 而且在现有光谱理论下, Pulse-CRDS在应用时使用的脉冲光源的脉宽必须远小于谐振腔本身的时间常数, 对于长脉宽的脉冲光或者反射率低(小于99.9%)的腔体, 现有理论将不再适用; CAPS在应用时光源调制信号必须是周期性的正弦信号或者方波信号, 对于其他类型的周期调制信号或者非周期性信号, 现有理论并没有涉及。 针对上述提到的时间相关吸收光谱技术的局限性, 提出了一种新的分析时间相关吸收光谱技术的方法, 即利用一阶传递函数, 将谐振腔视为一阶传感系统, 对时间相关吸收光谱技术理论进行统一解释, 在公式推导上证明新方法下的推导结果和现有理论结果的一致性。 针对Pulse-CRDS, 以高斯脉冲光为例, 给出一阶传感理论下的透射光强表达式, 并对一系列不同的脉冲宽度γ、 谐振腔时间常数τreal以及从输出信号中拟合而得的时间常数τanal进行了模拟仿真。 经过分析比较后发现, 当γ<0.3τreal时, τanal和τreal的偏差小于1%; 当γ>0.3τreal时, τanal和τreal的偏差渐渐变大, 将不再满足实验条件。 为了使Pulse-CRDS在长脉宽脉冲光下也能应用, 本文给出了修正函数, 使得在脉宽大于腔衰荡时间0.3倍的情况下, 经过修正补偿后, 衰荡时间的误差小于1%。 对于CAPS系统, 搭建相应实验平台, LED中心波长选用405 nm, 使用方波调制信号, 测量不同频率下的入射参考信号与探测信号的相位差和探测信号峰-峰值, 通过由一阶传递函数推导而得的相频特性和幅频特性, 拟合得到时间常数τ, 结果分别为7.24和7.25 μs, 残差范围分别为［-0.01, 0.02］和［-0.02, 0.025］, 两者结果基本一致。 实验结果验证了一阶传感系统理论完全适用于时间相关光谱的信号分析, 并且一阶传感系统理论还使得时间相关光谱技术的理论得到了统一。

为解决目前高速机构存在的高速与高精度之间的矛盾，研究了高速并联测量机的柔性问题。应用弹性梁运动学理论和Galerkin模态截断法推导了一维弹性梁运动学变形位移模型; 以欧拉-贝努利梁为假设，应用Hamilton原理建立了考虑中线变形的柔性结构耦合动力学模型。最后，基于中线耦合动力学模型，测试了不同速度下弹性振动产生的误差，提出了通过调节黏滞摩擦系数来降低振动耦合误差，进而提高测量精度的方法。基于仿真实验验证了提出方法的有效性和可行性。结果表明: 在忽略结构误差前提下，角速度为300 rad/s时产生的横向一阶振动耦合误差最大值为28.6 μm; 合理调整黏滞摩擦在0.4~0.5时，振动耦合误差降低至15 μm以内，相比调整前误差降低了13.6 μm。提出的方法为进一步解决高速与高精度之间的矛盾和研究高阶弹性振动与精度的耦合机理提供了理论基础。

单元结构、阵列排布和偏转控制是阵列菲涅尔透镜的三个重要因素。单元结构采用了棱镜加菲涅尔透镜结构,排布方式引入蜂窝式阵列,构成蜂窝式阵列菲涅尔透镜。该透镜可以将准直光源发出的光线投射到1 m远、直径为30 mm的圆形区域内并形成特定图形。通过调整菲涅尔透镜的各个独立环带的倾角,以及每个菲涅尔透镜的背侧光面倾角的优化,实现了一款蜂窝式阵列菲涅尔透镜的光学设计。通过光学仿真分析,结果表明该设计方法灵活可靠,光线控制效果良好,具有实现图像级配光的能力。

基于配焦椭流面的光学自由曲面设计具有几何意义明确、设计灵活和优化思路清楚等优点, 但也存在表面不光滑的弊端。为了将每个椭流面片尽可能地光滑拼接, 从边缘一点为起始位置开始构建自由反射面, 先在θ方向构建光滑的椭流面, 然后通过调整能量分配的方法, 减小曲面在φ方向的不连续性。通过仿真验证, 此方法可在2 min内完成对40 000个椭球面片的计算处理, 构建的曲面保证能量在目标面上均匀分配的同时在连续光滑性上也有很大提高。

针对直下式发光二极管(LED)平板光源，在矩形阵列排布条件下，通过照度图的对称性分析，采用一种基于分段式配光曲线生成折射率为1.4935 的配光透镜的方法，从而实现整体照度均匀。设置距高比为4.1，以方形阵列排布的直下式LED 平板光源为例，通过能量分配设计方法完成配光透镜的设计，仿真结果表明，目标面上照度的均匀度高于0.85，光效达到0.9 以上，并适用于扩展光源。利用对称性分析可得到上述直下式LED 平板光源出光面所能达到的均匀度上限，这对LED 平板光源的光学设计具有指导意义。

光学仿真是白光LED照明设计中的一个重要方法, 但色度分布的光学仿真中计算量太过庞大, 以致在一般计算条件下无法得到可靠的仿真结果。为解决这一问题, 本文利用色度转换关系和逐点法计算色温, 引入数值拟合和像素合成两种处理方法, 有效降低了光学仿真结果的涨落。通过对处理结果和实验结果在照度和相关色温两方面的对比, 两种处理方法的有效性得到证明, 大幅提升了基于色度配光的光学仿真计算效率。

超短（飞秒）激光脉冲序列技术能有效地提高激光加工金属的加工精度，它在微/纳制造中具有重要的理论意义和生产价值。为了研究脉冲间隔对激光烧蚀金属加工精度的影响，以过渡金属镍为研究对象，采用双温模型和分子动力学模拟相结合的方法，对飞秒激光脉冲序列（脉冲间隔不同）烧蚀金属镍的过程、现象进行了研究，取得了脉冲序列烧蚀镍薄膜的动态表层电子温度和晶格温度随时间演化的数据和烧蚀区域在不同时刻的快照。结果表明，一定范围内，随着脉冲间隔的增加，脉冲序列烧蚀镍薄膜所产生的纳米粒子更加均匀，烧蚀平面更加平整，初始熔化速度、烧蚀率呈降低趋势，有利于提高加工的精度。