类金刚石(DLC) 薄膜可用作红外增透保护膜,高的薄膜残余应力造成薄膜附着力下降是目前应用中存在的主要问题之一.本文从DLC薄膜作为红外增透保护膜的需求出发,采用非平衡磁控溅射技术生长DLC薄膜.实测了薄膜的残余应力,分析研究了薄膜残余应力在不同工艺条件下的变化情况.探讨了薄膜残余应力与薄膜厚度、光学透过率、离子能量、沉积速率以及能流密度之间的关系.研究结果表明,薄膜残余应力平衡值在0.9～2.2GPa之间,相应的单面镀膜样片的透过率在4μm波长处为69% ～ 63%,随工艺的不同而变化.工艺优化后薄膜残余应力显著下降.硅基底上薄膜与基底剥离的力的临界值大于2160GPa·nm,最大薄膜厚度≥ 2400nm;锗基底上最大薄膜厚度≥ 2000nm,可以满足整个红外波段的需求.

提出了用单色激光器制作真彩色动感全息图的方法.该方法用三色光栅相机将景物的彩色信息记录在一张透明片上,并使用散射参光法一次曝光合成一幅真彩色全息图.对从不同观察角度所拍摄的透明片进行多次全息曝光并记录在同一张全息片上,可在普通白炽灯下看到景物的真彩色动感全息像.采用散射光作为参考光记录全息片,大大降低了相干噪声.一次曝光记录一幅真彩色全息图,不仅使透明片数量和曝光次数减少为分色记录的1/3,而且消除了由分色记录三次曝光所带来的颜色分离,增加了彩色像的真实感和清晰度.

提出了一种天基望远镜对空间目标成像的模拟方法.由卫星轨道参数计算得到卫星在地心赤道坐标系中的坐标,再通过平移、旋转和比例变换将其变换到望远镜坐标系中的坐标,模拟得到卫星的成像图.通过旋转和比例变换,将恒星坐标从地心赤道坐标系变换到望远镜坐标系,模拟得到星空成像图.两者合成得到总模拟图.将望远镜的位置矢量和光轴的方向矢量之间的夹角作为望远镜视场是否被地球遮挡的判断依据.以0星等和10星等为参考,用计算机模拟得到256级灰度图.仿真结果表明,该方法既能有效地模拟卫星的运动,又可以克服对相同星空背景的重复模拟.

灰度图像色彩信息贫乏会导致易陷于局部相似,使跟踪点发生漂移.针对此问题,提出了基于目标成像空间域与特征域分布的改进直方图模式扩展目标跟踪算法.以基于像素位置和像素灰度值的直方图模式作为目标模式;相似度测量采用基于Bhattacharyya系数定义的距离;用均值偏移迭代进行匹配区域搜索;通过建立卡尔曼预测跟踪策略解决目标被遮挡时的跟踪问题.试验结果表明,采用该算法,跟踪点漂移由原来十几个像素的波动减少到仅偶有1个像素的抖动.

提出了一种视频序列图像中点状运动目标三维快速检测方法.该方法利用目标运动的时域连续性假设,将目标在相邻多帧上的位置状态模型化为二阶马尔可夫数据链;依照该模型采用沿轨迹集成的检测算法,克服了传统三维检测造成搜索次数巨大的弱点,同时也避免了二维投影检测带来的信噪比下降.理论分析和仿真试验表明,该检测方法能稳定地检测出信号杂波噪声比(SCNR) 超过3的缓动点状运动目标,而且在采用5帧集成时计算量比传统的穷尽轨迹匹配检测减少100倍.

为了消除图像旋转对准确进行目标的自动识别和跟踪带来的影响,提出了一种基于FPGA的电子学消旋方法.该方法利用旋转算法将原图像反向旋转相应的角度,再用双线性插值方法进行重采样,从而得到消旋后的图像.在此基础上构建了以XC2S200-5PQ208为核心处理器的实时图像消旋系统.这种电子学的消旋方法能够克服光学消旋系统加工困难、功耗大、角度分辨率低、体积大等严重不足之处.实验结果表明,该系统能够成功地对256×256×8bit的灰度图像进行实时消旋处理,其消旋角的分辨率最小可达到3',最大像素误差小于一个像素.

采用TMS320F206作为USB接口芯片PDIUSBD12的控制器,实现对高速数据采集卡的同步控制.主机从获得的非标准视频数据中提取同步信号参数,通过USB接口及时传输给DSP,DSP对分频系数实行模糊控制,产生精度可达7ps的视频同步信号,实现非标准视频信号的采集和稳定显示.分别对行频为15.625kHz、场频为50Hz的CCD视频信号,及行频为48.656kHz、场频为60Hz的计算机显示器视频泄漏信号进行了采集与显示,证实了此方案的可行性.

针对形状匹配中小波表达对起始点依赖的问题,提出一种结合Zernike矩的多尺度模板进行形状匹配的方法.该算法对输入图像进行预处理后提取目标轮廓,经过归一化处理得到目标形状的平移、尺度不变的链状表达,再通过小波变换进行多尺度分析;引入Zernike矩,利用Zernike矩的特性,实现小波表达的旋转不变性,解决了小波变换对起始点的依赖.匹配过程是以小波表达的各阶Zernike矩为特征向量,在由粗到精的尺度上进行的.实验结果表明,对于同一目标,原图像与旋转不同角度的图像的正确匹配率为91%.该算法适用于轮廓较明显的目标.

提出了一种基于邻域差值特征模板的立体匹配方法.该方法通过计算一幅图像中间隔一定距离的两点的像素邻域差值作为特征模板,再计算另一幅图像中在同一扫描线上间隔同样距离的像素邻域的差值,将它与特征模板的偏差作为匹配标准,偏差最小的点就认为是匹配点.在同等条件下,与区域相关法相比,该方法能够将运算的速度提高3倍,且同样能够得到精确浓密的视差图.实验证明,该算法结构简单,易于实现,能够处理复杂的场景,具有良好的实验效果和实用价值.

提出一种身份识别模型WMFVR(加权多特征视频识别).模型分三层:先验层,建立识别群体视频样本库,通过数据发掘可识别
(区分) 的视频特征点,如身高、肩宽、人脸等,每个特征点聚类建立特征分布,如按身高聚为高、中、低三类;识别层,在相对静止背景下获取连续图像,检测跟踪运动目标,重建人体三维运动,按时间序列识别各个特征点,结合先验知识库,加权决策识别结果;后验层,根据识别结果,更新视频特征分布,刷新先验知识库.与传统视频身份识别相比,WMFVR充分利用连续动态图像下的视频特征,并引入后验机制,提高了视频识别的可应用性.基于WMFVR设计的视频考勤系统识别率为94.872%,表明在固定场景小范围人群的身份识别中具有良好的鲁棒性.

在详细分析用斑点成像消除目标图像中随机扰动影响的基础上,提出了在有像差光学系统中,应用斑点成像消除图像中像差影响的方法.通过在光学系统的光路中引入随机相位屏,采集物的短曝光像,用斑点成像处理,恢复目标图像的功率谱和相位谱,可以得到目标近衍射极限的图像.实验结果表明,这种方法可以消除图像中光学系统像差的影响.

提出了一种自适应的模糊阈值图像分割方法,通过预分割和直方图信息相结合的方法,解决了传统的模糊阈值图像分割法难以自动获取窗宽的困难;并针对模糊阈值图像分割方法不能适用于直方图呈单峰分布的图像的缺陷,提出了一个新的平滑迭代公式.该平滑迭代公式利用像素点的邻域信息使图像增强,再使用自适应的模糊阈值图像分割方法进行分割,可以拓宽模糊阈值图像分割方法的适用范围.实验结果表明,使用该方法的目标分割正确率达97.3%,显示了较高的分割精度和较强的鲁棒性.

提出一种新型LiNbO3光纤型电光调制器.用LiNbO3光纤制成的M-Z干涉计置于SiO2基体上,在铌酸锂光纤上部制作电极完成该调制器制作.利用有限元法对非对称共面带线(ACPS)和对称共面带线(SCPS)两种电极的光纤型调制器微波等效折射率、调制带宽和特性阻抗进行分析.在工作波长1.5μm下,SCPS电极光纤型调制器宽带74.03GHz,半波电压为2.29V;ACPS电极光纤型调制器宽带可达82.25GHz,半波电压为1.37V.结果表明,后者性能优于前者,但两种电极的光纤型调制器都可获得大带宽、低半波电压和良好的阻抗匹配.

在最小可分辨对比度MRC测试中,提出了一种实现测试靶标可调对比度的新方法.这种方法是将测试靶标放在两个重叠积分球中间,在两个积分球紧邻靶面处各开有一圆形孔,用以照明测试靶标的正反两面.在每个积分球入口处安放衰减片,转动衰减片可以控制进入积分球的光通量,从而改变了测试靶标正反两面的亮度,实现了测试靶标对比度的可调.基于此方法研制了靶标发生器,可用于快速检测可见光成像系统的MRC.测试实验结果表明,该发生器亮度可在0.3～200cd/m2范围内重复调节,测量亮度误差在±0.3cd/m2以内.

运用衍射理论计算出两个离焦面上的光强分布,从而获得波前曲率和孔径边缘的波前径向倾斜.根据Zernike多项式的微分特性,采用两种不同的方法分别处理曲率和倾斜,使用积分的方法解决了在边界上δ函数很难处理的问题.由探测器的几何分布预先算出控制矩阵,用Zernike多项式曲线拟合的方法重构出波前.计算机仿真表明,波前残差小于5%,验证了此波前重构算法的可行性.

由于普通光电二极管阵列检测器无法克服光源波动造成的影响,故设计开发了一种双光束光电二极管阵列检测器.该检测器采用光导纤维束将光源发出的光分成两束,在斩光器的调制下分时射入样品吸收池和参比吸收池.透射出的光信号通过光导纤维束射到狭缝上,被凹面光栅分光成像于光电二极管阵列上.在斩光器和后续电路的配合下,实现了在同一个光电二极管阵列上信号光光谱、参考光光谱和暗电流的分时测量.由于采用参考光光谱和光电二极管阵列暗电流对信号光谱进行实时补偿,可以使基线短期噪声降低为1×10-5AU,漂移降低为1×10-4AU/h.

为解决结构光三维测量系统中的光栅投影质量问题,提出并实现了以物理光栅为核心的结构光栅投影系统.该系统以现代光栅制造技术制造的精密光栅元件为核心,基于幻灯投影原理实现高质量的光栅条纹投影,利用步进电机带动高精密滚轴丝杆进行平移实现投影光栅的切换.实验结果表明,基于该系统实现的光学三维测量系统的可以达到1 :100以上的对比度,具有较大的光强和良好的景深,同时能获得连续的强度分布及较好的正弦性,测量误差小于0.04mm,测量精度约为0.03mm,满足工业应用的要求.

提出了一种基于数字图像处理技术的微小玻璃球直径的测量方法.该方法采用Sobel算子计算目标的梯度图像,取阈值对其进行二值化处理;根据边缘成像特点,通过数学规划法计算小球边缘的初始位置;在此基础上,采用空间矩亚像素定位算法对目标边缘进行精确定位;通过拟合这些边缘点,即可求得目标直径.实验结果表明,该方法对二值化阈值的依赖性小,抗噪声能力强;在一定的范围内,阈值的不同对该算法重复精度的影响小于0.06个像素;由于采用交互方式选定处理区域,算法的计算速度较快,完成一次计算的时间不到1s.

发射率表征待测体与黑体的辐射强度之比,它与材料的性质、表面状态密切相关,随时间变化而变,并显著影响测温精度.为此提出了一种新的多色比色测温方法,该方法可以对待测体的发射率进行实时修正,具有自适应的特点,使测温仪可以快速、准确地测量温度.采用这种测温方法研制出新型的内调制多色比色测温系统,测温仪用内调制光电探测器作为探测单元,探测器能将恒定的光信号转变为交流电信号输出,便于信号放大和消噪,有效地提高了系统的信噪比.在1050～1650℃范围,测温最大误差为6.2‰.

实验研究了掺Yb3+双包层光纤激光器的温度调谐特性.当光纤的温度从13℃变化到95℃时,输出激光的中心波长从1084.9nm增加到1096.3nm,输出激光功率从0.95W减小到0.58W.波长的调谐范围为11.4nm.理论分析表明,当光纤的温度升高时,高于零点的增益范围向长波方向移动,同时增益呈下降趋势.理论分析可以很好地解释实验现象.

基于Nevot-Croce模型,计算了一系列具有粗糙界面的极紫外投影光刻掩模的反射光谱.通过拟合计算结果,得到了峰值反射率、带宽和中心波长与粗糙度的函数关系.根据光刻系统对照明均匀性的要求,讨论了在相同粗糙度变化范围内,分别由峰值反射率、带宽和中心波长引起的照明误差.结果表明,粗糙度对极紫外投影光刻掩模的峰值反射率影响最大.当掩模粗糙度为0.85±0.04nm时,峰值反射率将产生±0.9% 的波动,并由此产生±1.5% 的照明误差.为保证由峰值反射率导致的照明误差小于±1%,极紫外投影光刻掩模的粗糙度必须控制在±0.025nm以内.

针对基于微压印成形三维MEMS器件制造工艺多层压印的需要,开发了一套基于视频图像对正原理的压印光刻对准系统.硬件系统以显微镜头、CCD、图像采集卡和精密工作台为核心组成.为了使系统能适应不同厚度器件的对准,设计了长工作距离的显微镜头并使用透明模板.软件中采用亚像素相关模板匹配算法进行定位运算,算法误差小于0.2μm.通过采用选择有效区域和粗-细搜索法的策略对算法进行优化,提高了运算效率.系统性能实验分析表明,系统分辨精度达到0.2μm,能够满足2μm的对准精度要求.

提出了一种激光诱导液相腐蚀新方法--抗蚀膜掩蔽法.抗蚀膜掩蔽法是指在激光腐蚀中,用抗蚀膜来实现对激光腐蚀区域的控制.理论分析和实验结果都表明,抗蚀膜掩蔽法可以有效地控制激光化学腐蚀的图像形状;因不需要对激光光束进行聚焦,光传播垂直于基片表面,制作出的腐蚀孔侧壁可以具有很高的垂直度;利用激光光束中心区域能量分布近似均匀的特点,使小面积腐蚀区域的腐蚀速率近似相等,腐蚀面内各点没有明显的高度差.因为以上优点,抗蚀膜掩蔽法能克服现有激光腐蚀方法的诸多弊端,简化激光腐蚀工艺,在特殊结构光电器件和光电集成中具有广泛的应用前景.

采用傅里叶光学的方法,分析了冷压印光刻中新型斜纹光栅对准标记的透光特性.分析表明,对准信号与光栅副相对位移之间是正弦变化关系,且对准位置附近是一个陡直的线性区.该区对准信号的灵敏度很高,适合于多层套刻对准,根据信号和位移的线性关系,给出初步的对准信号计算模型.由于抗蚀剂的存在,使晶片表面反射率随位移而变化,提出用反射率因子进行修正的方案.反射率因子中包含有位移信息,将其与初步对准信号模型相乘,得到修正的计算模型.由新模型,研究了抗蚀剂平均厚度不同对对准信号的影响,说明要获得高灵敏度的信号,抗蚀剂厚度应取满足压印条件的最小值.