采用非平行双目视觉测量系统对水下目标进行测量时,水对光线的折射使传统外极线约束关系不再成立,导致系统的测量误差较大。为了进一步提高系统的测量精度,提出了一种基于多线结构光的水下双目视觉测量方法。该方法基于水下非平行双目视觉测量系统模型和光线追踪原理建立了水下外极线离散曲线模型,并提出了一种用于特征点匹配的水下外极线匹配方法,以实现水下目标的三维测量。实验结果表明,本方法可以有效实现多结构光的光条立体匹配,提高水下目标的测量精度。

在现代工业设计、 人工智能、 软件设计等领域, 三维模型正展现强劲需求与活力, 传统三维模型特征提取方法仅能提取模型表面特征, 难以满足复杂模型特征提取需求, 为提高三维模型的特征提取精度, 基于光谱分析以及可见光传播特性, 提出一种具有高区分度的三维模型特征提取方法。 首先利用光散射系数、 吸收系数、 各向异性等光学特性参数, 量化分析光在不同介质中透射、 散射、 反射概率, 并确定最佳光谱模拟波段； 其次采用Monte-Carlo法模拟光子束在三维模型中的传播历程, 获得光子束传播轨迹的角度、 距离、 能量等多种统计量, 计算不同统计量权重, 经过统计分析后完成特征提取； 然后在ESB国际通用三维模型库中, 测试不同光子束数量、 约束空间形状对特征提取效果影响, 从而确定最佳模拟参数； 最后使用多种特征提取方法与光传播模拟法进行特征提取效果比较, 并采用查准率、 查全率以及E测度评价指标对特征提取效果进行定量测试。 实验结果表明, 三维模型特征提取准确度对光传播约束空间形态较为敏感, 光子传播的最佳约束空间为球体； 三维特征提取效率随着光子束数量升高而降低, 在保证特征提取精度的前提下, 10 000～25 000区间是光子束模拟数量的最佳取值范围； 基于光传播模拟的特征提取准确度高于小波变换、 距离夹角以及D2分布方法, 能够满足三维模型检索需求, 更适合复杂三维模型的离线特征提取与应用。 结合光谱分析与可见光传播特性的模型特征提取法拓宽了光谱分析的应用范围, 能够提取出融合三维模型表面特性与内部形态的有效特征, 为高精度特征提取技术研究注入新动力。

为了研究近红外光在皮肤组织中的传播, 建立了人体皮肤组织模型, 包括不同入射波长下表皮、真皮、皮下组织的吸收系数、散射系数、折射率和各向异性因子.结合皮肤组织的光学性质, 采用蒙特卡罗方法分析了1 000~1 900 nm范围内, 光源-探测距离不同时近红外光在皮肤组织中的传播过程和分布特点.结果表明：光子运动路径长度和穿透深度均随光源-探测距离的增加而变大, 而漫反射归一化能量随光源-探测距离的增加而变小.选取光源-探测距离为0.45 mm, 当入射波长为1 550 nm时, 光子运动路径长度为1.806 mm, 穿透深度为0.467 mm, 漫反射光归一化能量为0.001 85.根据蒙特卡罗模拟结果, 分析和设计了一种光纤探测结构, 这种分叉光纤束由18根光源光纤和4根探测光纤构成, 每根光纤间距均为0.45 mm并且刚好紧凑相邻.最后, 仿真计算了光纤收集到的漫反射光能量及照度分布.假设入射光功率为1 W, 则探测器接收的漫反射光功率为0.598 mW, 这为便携式检测光谱仪器的设计提供了参考.

介绍了功率谱法、Zernike多项式法、分形法模拟生成非Kolmogorov湍流相位屏的过程, 并利用这三种方法对符合非Kolmogorov统计特征的大气湍流相位屏进行了模拟。将不同方法得到的相位屏的相位结构函数与理论结构函数进行对比, 分析了三种相位屏模拟方法的准确性和模拟速度。结果表明: 添加次谐波和增加Zernike多项式阶数分别可以弥补功率谱法和Zernike多项式法生成的相位屏低频和高频不足的缺点, 但导致模拟效率下降; 分形法生成的湍流相位屏高频和低频都较为充足, 且模拟效率较高; 随着非Kolmogorov湍流谱幂率的增加, 功率谱法所需要的次谐波级数增加, Zernike多项式法所需要的Zernike多项式的阶数减少, 分形法生成的相位屏的精度更高。

基于蒙特卡罗方法思想, 结合半色调印刷品网点的结构属性, 提出一种研究半色调印刷品呈色性质的模拟方法。考虑光的粒子属性, 以程序化语言描述光子在半色调印品中的传播历程, 涵盖光子从入射到传播终止的全过程, 体现承印物、油墨、网点形状以及面积率变化对光散射行为的影响。对175 lpi的不同网点结构模拟结果表明: 该算法能合理模拟光与印品相互作用, 适用于光子在多种网点结构中的散射模拟。模拟后的光子能量及位置分布均能可视化显示, 经统计分析可转化为反射率、光子分布, 散射距离等信息, 为半色调印品的微观研究及质量控制提供一种新思路。

为解决法拉第磁光效应测量电流方向问题，利用法拉第效应原理搭建了测量电流方向的实验系统，研究不同方向电流作用下的磁致旋光特性，测量了不同方向的电流与光传播方向、光旋转角度之间的关系，实验结果表明：迎着光观测，出射线偏振光的旋光方向表现为右旋时，相应的电流方向沿光传播方向;当出射线偏振光的旋光方向表现为左旋时，相应的电流方向与光传播方向相反。实验结果与理论相符，对指导设计同时可以测量电流大小和方向的光学电流互感器等法拉第磁光器件具有重要的应用价值。

非Kolmogorov 大气湍流中的光传播及其对光电工程的影响已成为当前应用光学的研究热点之一。详细对比讨论了真实的非Kolmogorov大气湍流的光学特性和理论研究中的非Kolmogorov湍流谱模型；从一般光传播效应，各向异性湍流中的光传播效应，特殊光源、部分相干光、阵列光源的传播效应以及这些效应对光电工程的影响6 个方面分析了光波在非Kolmogorov 大气湍流中的传播效应及对光电工程影响研究的最新进展和存在的相关问题；从大气湍流测量技术、非Kolmogorov 大气湍流光传播的数值模拟及其与实际光传播实验的对比分析三个方面提出了对今后这个研究领域重点研究方向的建议。

蒙特卡罗法(MC)广泛用于模拟光在皮肤组织中的传播。发展了基于四面体网格的蒙特卡罗(TMC)方法，提出了距离阈值的概念避免数值耗散导致的错误能量沉积。通过计算带有单根血管的两层皮肤模型比较了几何蒙特卡罗(GMC)、基于结构化网格的蒙特卡罗(VMC)和TMC。GMC 通过数学定义组织界面，避免了离散，精度最高，但不适用于复杂的界面。VMC 实施简单，但是对曲折表面的离散会导致显著的误差。TMC 使用边界适应性较好的四面体单元在计算的精度和灵活性上找到了平衡。计算结果表明，TMC 法对几何形状的空间适应性远强于VMC，在复杂界面区域的误差仅为VMC 法的10%~25%，是一种理想的边界区域离散化的方法。

提出一种几何蒙特卡洛方法(GMC)，利用光子位置与物质界面间的几何关系在整个计算区域而非单个网格内计算光子传输。计算区域无网格离散，光在物质界面处的传播严格依据其实际过程进行，消除了网格蒙特卡洛方法(VMC)中的光传播误差并大幅提高了计算速度。对于包含单根血管的情况，采用10 μm 网格，GMC 的计算速度约为VMC 的25 倍。利用GMC 方法计算了激光在多根同轴血管簇皮肤组织模型中的能量沉积，发现血液体积分数不变时，血液能量吸收特性对血管分布的依赖性随着血管数量的增加而降低。当血管数量为20 根时，不同血管分布下血液能量吸收最大变动率不超过4%。这表明可以通过假设的血管分布开展研究而无需考虑真实的复杂血管结构，具有重要的实际应用意义。