为了在使用相位电光调制器前能够快速准确地确定其半波电压，提出了一种基于频域互相关的干涉条纹相位差计算方法用于相位电光调制器的标定。该方法将条纹图像通过傅里叶变换转换成频谱图并对其进行滤波，将提取出的正负一级次频谱信息进行互相关操作，得到两张条纹图之间的相位差。为了验证所提方法在相位电光调制器标定中的作用，搭建实验系统，使得一路经过电光调制器的光与另一路光进行干涉后形成条纹像，改变电光调制器上施加的电压并用相机记录相位不同的干涉条纹，从而获得干涉条纹组，进而运用所提方法获得相位-电压对应关系。与轮廓法相比，所提方法快速且精度高。与迈克耳孙干涉法相比，该方法不需要重新搭建光路，操作迅速且能够达到相当的精度。

水凝胶是一种具有三维网络结构的新型功能高分子材料。 水凝胶因其可注射性、 良好的组织相容性、 无毒副作用、 在生物体内可降解性、 环境敏感性广泛用于药物释控、 吸附材料、 仿生工程、 光纤传感、 组织工程、 智能穿戴等方面。 水凝胶的传感主要是随着外界环境因素的改变, 引起溶胀度的不同, 导致水分子填补凝胶内部孔洞的程度不同, 呈现出水凝胶整体折射率变化的过程。 为了研究不同的溶胀度对水凝胶折射率的影响, 以壳聚糖为原料, 以过硫酸铵, N,N-亚甲基双丙烯酰胺分别作为引发剂和交联剂, 与丙烯酸接枝反应, 在氮气的环境中以化学方式制备壳聚糖水凝胶。 通过设计测量结构、 搭建实验平台, 检测了壳聚糖水凝胶的溶胀特性并对凝胶的溶胀度进行了标定; 以卤钨灯作为光源, 通过光谱仪检测了壳聚糖水凝胶透射光谱; 运用光在介质面传播特性与光波的偏振性原理, 对壳聚糖水凝胶透射光谱进行分析, 研究了不同溶胀度下壳聚糖水凝胶折射率的变化规律, 发现了不同溶胀度下凝胶对不同波长光波的折射能力存在差异性; 通过对数据的处理, 计算了波长为400 nm时, 凝胶折射率随溶胀度变化的范围及灵敏度Q1。 通过对实验数据的拟合, 得出了壳聚糖水凝胶折射率对溶胀度、 波长的响应规律且拟合度较高, 为壳聚糖水凝胶在光学传感方面的应用提供了实验基础。 通过实验, 说明了壳聚糖水凝胶有着优秀的溶胀特性、 较宽的折射率变化范围及较高的灵敏度, 在智能穿戴、 仿真皮肤、 光学传感等领域的应用有一定的优势。

多角度全内反射荧光显微镜层析成像技术是实现轴向超分辨的主要技术之一,其关键算法是基于交替方向乘子算法对逆问题模型求解。为进一步提高交替方向乘子算法的迭代速度及收敛性,提出将一种基于松弛因子的改进型交替方向乘子算法应用于逆问题的求解中,其核心思想是对拉格朗日函数的分解迭代过程进行过松弛求解。基于该算法,搭建了多角度全内反射荧光显微镜成像系统,采集不同照明角度对应的不同穿透深度的图像堆栈,利用改进型算法重构细胞微管的深度信息,给出了系统的轴向分辨率,并与传统交替方向乘子算法进行了收敛速度的对比,给出了改进型算法达到最优收敛的松弛因子的取值范围,最后通过对线粒体样品进行长时程拍摄,重构了其三维信息,并观测了其融合和裂变的连续过程。实验结果表明,改进型交替方向乘子算法可以实现40 nm的轴向分辨率,并能在保证图像重构质量的同时,使迭代过程的收敛速度提升20%以上。

为了实现椭偏参量ψ和Δ的高速、高灵敏测量, 建立了一种测量成本低、重复性好和便于工业化集成的椭偏测量方案。本文对弹光调制型椭偏参量测量系统进行了原理分析, 针对弹光调制器的工作模式及调制光信号特点, 设计了基于现场可编程门阵列的数字锁相数据处理方案。现场可编程门阵列提供弹光调制器工作的信号源, 并控制AD采样; 同时产生正弦和余弦参考序列, 并完成直流项、一倍频项和二倍频项的同相分量和正交分量的提取, 进而求解出椭偏参量。利用搭建的试验系统对SiO2薄膜厚度为3.753 nm的硅片样品进行了实验分析。实验结果表明, 采样时间为20 ms时, 椭偏参量ψ和Δ的平均值分别为9.622°和168.692°, 标准偏差分别为0.005°和0.008°;采样时间设置为200 ms时, 椭偏参量测量平均值与20 ms的非常接近, 标准偏差减小, 并且都在0.001°量级, 揭示了本系统具有较高的灵敏度和较好的重复性。

为了拓展荧光辐射差分(Fluorescence Emission Difference,FED)显微术的应用, 使得该方法可以同时对生物样品的不同组织结构进行超分辨成像, 本文对双色FED显微系统展开了研究。FED的基本原理是将实心光斑扫描得到的共焦显微图像减去空心光斑扫描得到的负共焦图像, 以此获得超分辨显微图像。在对单色FED显微系统进行研究后, 本文提出了一种可行的双色FED显微成像系统方案。实验结果表明, 在488 nm和640 nm激发光下, 该系统在荧光颗粒上分别实现了135 nm和160 nm的空间分辨率, 另外也能对生物样品的不同组织进行多色同时超分辨显微成像, 满足了实际应用的要求。

激光窃听技术通常不直接照射被窃听目标,且由于玻璃散射的原因,利用现有的拦截式激光预警技术无法获取其窃听源方位等信息,针对该问题,提出利用CCD相机结合滤光片的方案对窗户进行凝视成像的反激光窃听预警系统,同时,构建了窃听激光源、被照射玻璃上的散射激光光斑以及反激光窃听系统之间的空间几何模型,结合边缘检测等图像特征提取算法以及最小二乘图像拟合算法对散射激光光斑轮廓进行拟合,推导出窃听激光光源来袭方位的数学模型。实验结果表明：所搭建的激光窃听预警系统不但可以检测到照射到玻璃上的窃听光斑,且可以有效地追溯到该激光束的方位角和俯仰角信息,定位精度≤4°,从而达到了对窃听源定位的目的,有助于推动现有激光预警技术的进一步发展,且在**安全等领域发挥积极作用。

针对声光可调谐滤波器(AOTF)自身固有的因声光互作用导致的成像畸变问题, 利用AOTF的解析表达式和几何像差公式对AOTF相机的畸变特性进行分析, 建立了声光互作用图像畸变模型, 给出了各畸变系数随入射光传播角的变化关系; 并在所构建畸变模型的基础上, 结合两步标定法和双线性内插法对畸变图像进行校正分析。实验结果表明, 未加AOTF相机系统拍摄图像的最大畸变像素位移量为1.6 pixel, 加AOTF相机系统拍摄图像的最大畸变像素位移量为9.0 pixel, 畸变校正后的最大畸变像素位移量为1.4 pixel, 优于未加AOTF相机系统所拍摄的图像。该畸变模型较好地描述了AOTF相机的畸变产生机理及特性, 该方法可以有效地解决AOTF相机成像过程中的图像畸变问题, 在AOTF光谱相机的精确测量方面将有较好的应用前景。

提出了一种可以实现红外全景环形光谱成像的新型傅里叶变换成像光谱仪结构，该成像光谱仪以共焦双曲反射镜组作为全景环形集光器，利用Schwarzchild物镜进行准直，结合弹光调制干涉仪，成像透镜组以及HgCdTe红外焦平面阵列构成。介绍了全景环形成像傅里叶变换光谱仪基本工作原理及成像特性，讨论了双曲面反射全景环形集光器和Schwarzchild物镜准直器等各光学结构的设计方法，并给出了设计结果及优化方案。最后，采用Zemax光学设计软件对系统进行了光线追迹和优化，结果表明，成像光谱仪工作在8 μｍ~12 μｍ波段，有效焦距为-0.67 mm，侧向视场为40°~80°，F#0.9，像点弥散斑RMS半径为20.116 μm，在一个像元直径内，MTF在16 lp/mm处均高于0.5，且各视场一致性较好，OPD像差在±0.4λ范围内，成像质量良好。

声光可调谐滤波器（AOTF）具有体积小、 波长稳定性好、 扫描范围宽、 调制速度快等优点, 在光谱成像中被广泛应用, 但单独采用AOTF的成像光谱偏振探测还较少。 为此提出只采用两个AOTF的成像光谱偏振探测新方法。 该方法首先通过分束镜将入射光分成两束, 两束光分别通过两个AOTF, 而两个AOTF的正一级衍射光的偏振方向互成45°, 由于AOTF的正一级衍射光的偏振方向互相垂直, 因此两个AOTF的正负一级分别可得到0°, 45°, 90°和135°的光强, 在测量中需保持两个AOTF的滤光所对应的波长完全相等。 最后通过对两个AOTF的正负一级衍射成像, 最终得到Stokes偏振信息中S0（0°和90°光强和）、 S1（0°和90°光强差）和S2（45°和135°光强差）, 结合相应的理论公式对被测目标的线偏振度（DoLP）和线偏振角（AoLP）实现成像。 再通过对AOTF的射频驱动进行扫频, 实现对被测目标不同波长偏振成像, 最终实现成像光谱偏振探测。 并通过对500, 550和600 nm偏振成像进行实验验证。 该方法具有无运动部件、 无需转动、 一次测量同时获得成像光谱偏振信息的优点。

基于弹光调制器和声光可调谐滤波器(AOTF)的新型光谱偏振成像系统部件多, AOTF入射角小,同一幅图中光谱分布不均。为此提出了一种前置光学系统由凸透镜、凹透镜和凸透镜构成的光学系统，压缩被测目标视场角，使其满足AOTF视场角要求，并将目标平行入射光变为平行光入射进AOTF，以便光谱修正。不同位置的目标以不同入射角依次进入光学系统和AOTF，在CCD上的成像位置也不同。AOTF的衍射光中心波长与入射角有关，可通过拟合测得衍射波长与入射角的关系，进而得到CCD像元与中心波长的关系，并对光谱修正方法进行了详细分析。实验结果表明，修正后的光谱测量误差比普通的AOTF光谱成像平均降低一个数量级，且成像清晰，提高了光谱偏振成像系统的光谱测量精度。