为了提高大口径平面镜面形检测的精度和效率, 提出了一种新的五棱镜扫描法。该方法采用径向扫描的方式, 使用一个扫描的五棱镜和一台自准直仪来测量表面倾斜角的差值, 然后将被测平面镜的面形表示为Zernike多项式的线性组合, 再利用表面倾斜角的差值建立方程组, 最后采用最小二乘法计算得到被测平面镜的面形。在检测过程中, 该方法还可以对五棱镜在扫描过程中的倾斜变化量进行自动监视和调整, 减小了检测误差。误差分析表明, 该方法的面形检测精度为76 nm rms(均方根误差)。采用该方法对一块15 m口径的平面镜进行了面形检测, 并与Ritchey-Common法的检测结果进行了对比, 两种方法面形结果的差异为71 nm rms, 小于五棱镜扫描法的面形检测精度。证明了利用该五棱镜扫描法检测大口径平面镜面形的正确性。

本文提出了一种自研盛装器皿以提高液体折射率的测试精度。该器皿由金属框架与等厚玻璃窗口组成, 其制造工艺相对简单, 减少了透射反射面面型精度及窗口等光程因素带来的系统误差, 提高了测试精度。本文采用的测试方法为最小偏向角法。最小偏向角法主要用于固体折射率的测试, 较少应用于液体折射率的测试。主要因为需要制作特殊的盛装器皿, 制造工艺难度大, 难以控制面型精度及透射窗口的等光程, 对测试结果造成较大影响。经过理论分析可知, 采用本文设计的盛装器皿可以满足10-6数量级的液体折射率测试需求。采用02″高精度转台进行实验, 耦合器皿带来的系统误差和测试系统的理论测量精度达10-6数量级。对某离子液在54608 nm特征谱线下实际测量的标准差为142×10-6。自研器皿满足液体折射率的精密测试需求。

高分辨率成像光纤传像束制备工艺的进步使得传统高性能光电成像仪器具备柔性, 并且使仪器的体积和重量大幅减小。面阵光纤传像束和面阵CCD间的像元耦合离散采样效应, 导致了传统成像质量评价模型的局限性。从光强度呈余弦分布的光信号在面阵光纤传像束和面阵CCD中的传递过程出发, 建立了耦合离散采样系统的耦合调制传递函数(Coupled-MTF)模型, 研究了Coupled-MTF的收敛特性及其随像元耦合误差的变化规律等。研究表明, 若输入信号的空间频率与奈奎斯特频率的偏差为1%, 当阵列中包含的像元总数超过1000时, Coupled-MTF振荡收敛为固定值。输入信号的空间频率与奈奎斯特频率的偏差越小, Coupled-MTF振荡收敛的速度越慢。Coupled-MTF的振荡幅值在弧失和子午方向不同, 且与各自方向的像元耦合误差有关。Coupled-MTF随面阵光纤传像束与面阵CCD间的像元耦合误差周期振荡, 理论上振荡周期为包层直径。在奈奎斯特频率及其分频附近的频域, Coupled-MTF在给定空间频率处不为固定值。上述特性有别于传统空不变成像系统的调制传递函数。

由于现有评价与测试方法不能满足3～4 m地基光电探测系统在不同仰角下对光学系统波前检测的需求, 本文提出了基于子孔径斜率离散采样, 再重构全口径波面轮廓的波像差测试方法。采用光学模拟与数学分析协同仿真的方法, 研究了波面重构算法的不确定度以及扫描运动引起的子孔径倾斜误差、子孔径扫描位置误差、像点坐标测量误差与波前复原精度间的作用规律。仿真结果显示, 迭代算法的相对误差ΔPV为0.002 8λ(λ=632.8 nm), 模式算法的相对误差ΔPV为0.002 7λ。当子孔径倾斜误差小于0.2″, 波面重构误差ΔPV约为0.02λ。当子孔径采样位置精度优于0.2 mm, 其引入的波面重构误差小于0.04 nm(PV); 当子孔径像点坐标提取精度优于5 μm, 波面重构误差ΔPV约为0.03λ。研究结果表明, 当考虑波面重构过程中的实际测量误差时, 模式算法的误差容限较高, 收敛性更好。此外, 构建实际测试装置时, 需引入角度监测与算法误差补偿机制, 子孔径倾斜角度监测系统的测角精度需优于0.2″。

为了对大口径平面镜面形轮廓的五棱镜扫描法测试进行误差分析和修正, 对五棱镜转动时出射光角度的变化进行了分析与精确计算。首先建立了合适的坐标系并规定了角度的正负, 然后由入射光的偏摆角和俯仰角计算入射光向量, 接着介绍了五棱镜的作用矩阵与坐标转换矩阵, 在此基础上详细分析了五棱镜转动的整个过程并且计算了出射光向量。然后计算出射光的偏摆角和俯仰角, 再计算当五棱镜没有转动时出射光的偏摆角和俯仰角。最后计算出射光偏摆角和俯仰角的变化。特别分析了当入射光垂直入射五棱镜的情况。随后进行了实际计算与实验, 总结了出射光角度变化的一些规律。将计算数据与实验数据进行了比较, 结果最大偏差为1″。最大偏差在实验精度范围内, 证明了计算方法是正确的。

为了方便地对可见光镜头进行调制传递函数的测试以及打破国外的垄断，研制了一套体积小重量轻的便携式调制传递函数测试仪。该测试仪以圆孔作为目标物，它发出的光经平行光管准直后，再经过被测镜头，并在被测镜头像面上形成圆孔像，该像经显微物镜放大后被电荷耦合器件(CCD)接收并传入计算机，计算机对图像进行处理和计算，得到调制传递函数值。介绍了图像处理的过程，详细给出了调制传递函数的算法，对测试系统各组件的影响进行了分析与校正，并提出了误差和噪声的抑制方法。将该测试仪的测试结果与光学设计的理论值进行了比较，得到该测试仪的绝对精度为0.018，满足0.03的要求，达到了研制目的。

针对同一光学产品的杂光系数由于测试条件的不同，测试结果往往差别很大，无法进行准确比较的问题，对几种光学镜头在不同的测试条件下反复进行了杂光系数测试实验。通过理论分析和实验测试给出了不同黑体目标尺寸和接收光阑孔径以及是否加装准直镜对杂光系数测量结果的影响。结果表明，对同一光学产品，选取的黑体目标尺寸越大，测试结果杂光越小；选取的光电接收器件接收光阑孔径越大，测试结果杂光越大。另外，准直物镜的使用会引入新的杂光，令杂光测试结果增大，但增大的量值可视为定值，进而从测试结果中减除。

为了实现光电仪器对椭圆形目标的准确识别与跟踪，基于Hough变换提出了一种新的椭圆检测算法。该算法随机采样2点，再利用椭圆极和极弦的性质来搜索第3点并筛除大量无效采样；然后，以这3点为中心作正方形窗口，用窗口内的所有点来拟合椭圆方程。在验证候选椭圆时，提出了一种新方法来判断边缘点是否在椭圆上，并且给出了确定真实椭圆的自适应阈值。实验显示，该算法的平均长度误差为05 pixel，平均角度误差为06°，平均耗时为79 ms，表明该算法精度高，速度快，检测性能较好。

去除电子散斑干涉条纹图中的噪声是提取条纹图相位的关键问题。利用热传导方程去除条纹图中的噪声,定性和定量分析了该方法的滤波性能。在此基础上,进一步将MBO算法和热传导方程应用于条纹二值化和相位图平滑过程中,并成功地从单幅模拟条纹图中提取了条纹图的相位。研究结果表明,热传导方程能有效减少散斑条纹图中的噪声,改善二值条纹图的边界,进而获得准确的相位分布。