红外光学系统在**、航空航天、民用等领域应用越来越广, 系统面临的外界环境复杂多变。只用光学分析软件来评估系统性能的传统方法不仅无法综合考虑不同材料间耦合影响, 也不能较为准确地描述热物理梯度场, 因此对结果的精确性分析略显不足, 而光机热集成分析是综合多物理场作用的有效方法, 涵盖了光学、机械、热学三个方向对系统性能的影响因素。通过研究Zernike多项式拟合算法, 编制了学科间的数据转换程序, 实现了分析模块间的数据传输, 并在热不敏红外系统的设计过程中采用光机热集成分析方法得到高低温工况下的光学系统传递函数, 为指导系统设计改进、提高系统性能提供了有力的理论依据。

为了降低太赫兹波传输的损耗, 研究了波纹波导中传输太赫兹波时的损耗特性, 得到波纹波导的衰减常数的理论计算公式, 在数值计算基础上设计了220 GHz低损耗波纹波导, 并通过电磁仿真对数值计算结果进行验证, HE11模式实现了仿真与理论结果的相互吻合。

在亚波长区(λ/n<Λ<λ)具有较低反射率和零级透射率,然而在小周期区(Λ<λ/n)具有低反射率和透射率。因此,基于严格耦合波分析(RCWA)理论,以硅基底仿生小周期蛾眼微纳结构为例,设计并分析了针对该结构反射率及透射率的影响因素,如占空比、刻蚀深度、周期等,并给出了最优化参数组合。在制作过程中采用电子束刻蚀及剥离技术进行掩模图形的光刻,然后经过反应离子刻蚀得到所需深度。最后,应用原子力显微镜进行结构形貌表征,红外光谱仪测试得到该结构反射率在7%左右,透射率约为69%～93%。

采用时域有限差分(FDTD)法对中红外波段(3~5 μm)硅基底的圆锥形仿生蛾眼微纳结构进行了仿真模拟。通过对微纳结构占空比、周期和刻蚀深度等参数的分析, 获得了具有良好抗反射特性的微纳结构的组合参数。为了更好地指导实际加工, 对不同参数进行了公差分析。制作中应用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在硅基底上制备得到该圆锥形仿生蛾眼微结构, 并且使用热场发射扫描电子显微镜得到了该微结构的表面形貌图。采用红外成像光谱仪对单面微结构的测试结果表明, 仿生蛾眼微结构的反射率在中红外波段约为5%。

通过分析仿生蛾眼抗反射阵列周期对反射率和透射率的影响,获得了波长与周期之比与反射波能量和零级透射波能量直接相关,分界线符合±1级衍射倏逝条件。在亚波长区具有低反射率和低零级透射率,而在小周期区具有低反射率和透射率。并且通过引入微结构顶面与底面直径之比圆锥度系数概念来表征微结构形状,从而能够分析圆锥形、圆台形、圆柱形仿生蛾眼微纳结构之间不同形状过渡的变化趋势,进而实现了制备微纳结构形状的误差分析。

太赫兹波在基模波导中传输的欧姆损耗很大，因此在传输太赫兹波时经常采用过模传输的方式来降低传输损耗。但采用过模传输，会引起波导中传输模式的变化，因此如何保证传输中的模式稳定是过模传输中的重要问题。本文采用仿真与实验的方法，对220 GHz 圆传输波导中的圆波导半径渐变情况下的模式稳定性进行了研究。结果表明，适当延长渐变波导长度，可以抑制模式耦合，保持单模传输。

应用严格耦合波分析方法(RCWA), 在本征硅片衬底表面设计并制作了一种圆柱形抗反射微结构元件。通过MATLAB软件模拟仿真确定其最优参数组合, 使反射率设计值为3%。应用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术制作了单面和双面的圆柱形微结构, 根据结果得到射频功率、气体流量及工作气压对微结构侧壁陡直度及形貌具有很大影响。还分析比较了形状(t为实际柱顶面直径与底面直径之比)与反射率的关系。采用热场发射扫描电子显微镜对该结构进行形貌表征, 综合显微成像红外光谱仪对反射率进行测量。实验结果: 制作了单面、双面微结构与无结构本征硅片反射率做比较双面圆柱形微结构的抗反射效果最好, 反射率达8%左右, 基本达到抗反射设计要求。

采用严格耦合波分析方法研究了长波红外波段锗基底的圆柱形周期阵列仿生蛾眼抗反射微结构的衍射特性，并进行理论分析和模拟仿真验证。重点分析了周期、深度、占空比和整体面型轮廓等参数对微结构抗反射特性的影响，得出具有较好抗反射效果的结构组合参数。采用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在锗基底上制备该亚波长周期微结构。通过热场发射扫描电子显微镜对微结构表面形貌进行表征，并应用红外成像光谱仪在长波红外波段分别对双面抛光锗片、单面微结构和双面微结构进行测试对比，结果显示在8~12 μm范围内双面微结构的反射率小于8%，基本达到设计要求。

为了增强模型渲染的真实感，本文使用曲面点 -法线(PN)三角形或四边形 (原理与三角形类似)来细化和调整输入模型中的三角形或四边形面片，从而实现棱角的柔和化。在 GPU(图形处理器)管线和图形库 (如 DirectX 10和 11)支持细分的前提下，该技术能适用于现有的渲染管道结构，并且对建模工具也没有特别的要求，仅基于顶点位置和法线信息便可渲染出圆润的轮廓，同时使用自适应细节层次 (LoD)技术，提高了渲染的效率，再加上法线贴图和置换贴图的应用，可渲染出外形贴近真实且更具质感的效果，因而具有一定的实用价值。