利用双眼自适应光学 (AO)视觉仿真器测量了两种不同亮度条件 (1和 100 cd/m2)下人眼像差对双眼对比敏感度和双眼叠加作用的影响, 并针对 2 c/d, 8 c/d和 16 c/d(周期每度 )三种不同的信号空间频率进行了测试。实验结果表明, 自适应光学像差矫正能够使得双眼对比敏感度函数呈现出各个测试频率上的整体升高。在两种亮度条件下, 双眼对比敏感度收益与单眼相比均无统计上的显著差异 (p>0.05)。在中高频范围 (8 c/d、16 c/d), 单双眼的 AO像差矫正收益均随亮度的升高而升高。对于本文测试的三种信号频率, 高亮度条件下的 AO像差矫正对双眼叠加作用无显著影响, 而在低亮度条件下, AO像差矫正使双眼叠加作用降低。本文为不同亮度下的双眼视觉信息处理机制提供了重要依据。

本文提出和发展了一种多扫描方式的新型原子力显微镜 (AFM)技术及系统。该系统拥有三个不同的扫描器, 以相互组合的方式实现三种不同的扫描方式, 由管状压电陶瓷驱动的柔性结构扫描器, 采用样品扫描方式, 对于小尺寸样品能够提供高分辨率的快速扫描; 由叠层式压电陶瓷驱动的扫描器, 采用探针扫描方式, 提供各类样品的大范围扫描; 由步进电机驱动的扫描器, 采用样品扫描方式, 能够实现大尺寸样品的大范围扫描。三种方式的单幅图像扫描范围可分别达到 4 μm×4 μm、20 μm×20 μm、40 μm×40 μm。实验结果表明, 借助于上述多扫描方式及独特的结构设计, 该 AFM不仅具有分辨率高、扫描速度快、重复性好等优化性能, 而且能同时实现各类尺寸样品的各种扫描范围的微纳米成像, 具有更好的实用性, 可望在微纳米技术领域获得广泛应用。

本文设计了一种基于银 -铝-银复合膜层结构的金属亚波长缝 -槽结构。该结构由亚波长狭缝和周期性沟槽组成, 在 632.8 nm波长下, 可实现远场的高方向性辐射。文中用有限元法分析了狭缝宽度、沟槽深度和沟槽周期对出射光高方向辐射特性的影响, 并据此优化得到了器件的结构参数。使用搭建的光学远场测试平台对该缝 -槽结构进行测试发现, 结构的远场发散角约为 4.1°, 测量结果与仿真结果基本吻合, 进一步证实结构的远场高方向性辐射特性。

人工复眼成像结构是由分布在曲面上的列阵化的镜头组成, 通过对每个子镜头的视场角进行分析, 进而研究各镜头视场之间的关系, 以及分析子镜头视场角与总视场角之间的关系, 提出了一种最优化的人工复眼结构设计方法。同时, 在文中, 给出了单镜头的设计方法, 以及镜头阵列的排布准则, 通过利用该方法设计的成像结构, 不仅可以实现整个物空间的完整无缝探测, 同时又使得要达到特定视场时设计所得的人工复眼结构采用的镜头数最少, 极大的节省了资源。在本文中还通过开展实验, 对所设计结构的成像效果进行了验证。

为了提高激光光束的应用水平, 需要将高斯光束整形为平顶光束。分析了非球面高斯光束均束器的基本原理和设计理论, 选用超高斯光束函数作为平顶光束的数学 -物理模型, 建立了入射高斯光束与出射平顶光束之间的映射关系式, 给出了高阶非球面的面型参数, 利用光学设计软件 ZEMAX设计了高斯光束均束器光学系统。系统入射光束直径为 2 mm, 出射光束直径为 4 mm, 激光波长为 1 064 nm。分析了能量转换效率, 根据 Bessel公式定义了平顶光束的平顶度。设计结果实现了激光束的 2倍准直扩束、 95.98%的能量转换效率和 96.6%的平顶度。

光刻投影物镜的透镜支撑形式决定透镜的面形精度, 进而影响光学系统的成像质量。本设计为实现透镜面形精度优于 5 nm的 RMS值, 提出一种三点挠性主支撑和六点弹片辅助支撑的支撑形式。综合考虑透镜自重、夹持力和热载荷对透镜面形影响, 对支撑结构进行优化设计, 并进行了仿真分析。仿真后的面形结果为: 上表面面形 PV 21.7 nm, RMS 4.49 nm; 下表面面形 PV 81.3 nm, RMS 3.63 nm。仿真结果显示: 该种透镜的支撑结构可以满足光刻投影物镜的高精度面形指标要求。

第三镜热控罩是为第三镜组件而设计的粘贴加热片的载体。在设计方案选择时首先从热力学角度考虑问题, 确定热控罩与第三镜的距离, 然后对热控罩的材料和结构方案进行优选和设计, 再利用有限元法对设计方案进行静力学、动力学及热力耦合分析验证。结果表明, 热控罩无论在静力学还是动力学方面均满足设计和使用要求, 设计方案合理可行。

为了降低眼球的自动调节功能对屈光度测量的影响, 建立了敞开视窗型自然验光仪光学系统。对该系统的光学成像特性、屈光度测量方法等进行研究, 提出了一种通过测量眼底反射像环的厚度来验光的方法（简称环厚法）, 同时还设计了一组适合环厚法的调焦光路来实现。首先, 介绍了敞开视窗型自然验光仪的光路结构及工作原理。接着, 通过理论分析得出屈光度与远点距之间的关系, 并提出环厚法用于测量远点距。然后, 在 Zemax软件中建立相应的光学模型进行仿真测试, 最后, 通过搭建相应的光学系统对九种模拟眼进行实验测量。实验结果表明: 九种模拟眼测量的相对误差控制在 7%以内。该光学系统具备结构紧凑、成本低、准确、稳定可靠等特点, 能够满足屈光度测量的要求。

针对高精度数字光刻的缩微光学投影系统, 提出并设计了一种适用于 0.7XGA型数字微反射镜 (DMD)的 6片式数字光刻缩微投影物镜。通过优化和拼接三片式物镜结构, 得到数值孔径 NA=0.1, 放大倍率为 -0.255 8, 分辨力达 3.5 μm, 不受 DMD栅格效应影响且达到衍射极限的缩微物镜。经过 Zemax软件模拟得到其全视场光程差小于λ/5, 145 cycles/mm处的调制传递函数 (MTF)大于 0.58, 充分说明该缩微物镜已经达到光刻物镜设计要求。利用Monte Carlo分析方法, 模拟加工装配了 100组镜头, 设定空间频率为 145 cycles/mm时, 90%的镜头 FMTF>0.55,验证了加工装配实际可行。

提出了一种基于统一准则的自适应滤波器的设计算法, 并结合空间滤波处理技术及数字图像处理分析技术, 根据每一幅光学条纹图像的频谱分布状况, 自动提取 +1级频谱信息, 实现对载频条纹图像的自适应滤波, 最终达到自动化数值分析的目标。文中以三维形貌测量为例, 首先通过计算机数值模拟, 指出分析位相质量与滤波窗口的选择是紧密相关的。而光学条纹图像的频谱分布则因待测物体而异, 因此在空间滤波过程中, 要针对不同的待测物体对滤波窗口的形状以及大小进行精确选取。文章给出了自适应滤波器精确选取的法则与步骤。最后以三维石膏像为测量物体, 给出实验验证, 证明该方法的可行性与有效性。

阀盖与阀座是构成燃气表计量误差的主要因素, 为定量评价燃气表阀气密性好坏, 使用激光三角位移传感器扫描二维气浮平台上气阀工作面的表面轮廓, 经高斯低通滤波后计算其表面粗糙度参数, 以判断燃气表阀气密性合格与否。结果表明: 合格与不合格燃气表阀表面粗糙度值存在较大差异, 激光三角法测量结果与触针式粗糙度测量仪测量值也存在偏差, 但不影响燃气表阀气密性合格与否的判断。通过测量燃气表阀表面轮廓可判断其气密性好坏, 为定量评价燃气表阀合格与否提供了科学依据。

355 nm脉冲(100 kHz)紫外激光刻蚀改性的功率密度对聚碳酸酯 (PC)材料表面润湿性能的影响存在规律性: 当激光功率密度小于 0.27×108 W/cm2时, 可得到亲水性的 PC表面; 当激光功率密度在 1.15×108～10.19×108 W/cm2之间时, 可得到疏水性的表面。用扫描电镜技术 (SEM)和 X射线光电子能谱技术 (XPS), 详细探讨了紫外激光刻蚀改性对 PC表面润湿性能的影响机理。当激光功率密度大于 1.15×108 W/cm2时, 尽管改性后 PC表面的含氧极性基团有所增加, 但由于“ V”字形沟槽结构的存在, 使其表面仍然呈现疏水性。探讨了用 Cassie模型解释在一定的激光功率密度刻蚀改性条件下, PC材料表面的水接触角和润湿性能变化的可行性。

在线高精度 PCB裸板缺陷 AOI检测系统中待处理的高分辨率图像高达 60 000×60 000以上, 为提高处理速度, 需提取图像轮廓并进行 DP曲线抽稀从而减少处理数据量。点到线段的距离度量是影响 DP曲线抽稀方法效率的决定因素之一, 本文提出一种高效的分区距离度量计算方法, 首先以曲线首尾端点连线为基准 X轴建立新的旋转直角坐标系, 逐点计算各点在新坐标系下的坐标值, 然后以此坐标值进行分区及距离度量计算, 在 I区和 III区采用曼哈顿距离、在 II区则依然采用垂直距离。与 Dan Sunday所提分区距离度量方法相比, 本文方法充分利用了前一点的距离度量计算结果, 对点进行分区判断的方式更为简洁、高效, 在基本保持 I、III分区各点距离度量计算量的前提下, 大幅减少了比重最高的 II区点的距离度量计算量。实验结果表明, 本文改进距离度量计算的 DP曲线抽稀方法有效提高了高分辨率 PCB裸板图像轮廓的曲线抽稀效率。

针对时域高通滤波非均匀性校正算法中存在只对偏移响应系数进行校正、难以选取合适的时间常数以及滤波后图像细节不清晰等问题, 本文通过分析时间常数对算法校正效果的影响, 提出了一种改进的时域高通滤波非均匀性校正算法。首先采用离线采集的非均匀性噪声底图对红外焦平面阵列的原始输出图像进行预处理, 去除部分固定模式噪声, 保证了增益的均匀性; 然后通过运动检测环节判断场景运动是否充分, 根据运动程度自适应选取时间常数构造低通滤波器; 最后运用高频提升滤波达到提升红外图像整体的亮度和增强目标细节的效果。对真实的红外视频图像实验表明, 通过自适应选取时间常数有效地抑制了目标退化和伪像现象, 且算法的收敛速度快, 校正后图像细节清晰, 有利于工程实时应用。

为了提高自适应光学系统中人眼波前像差的重建精度, 进而提高自适应光学图像中的点扩散函数重建精度, 提出了一种基于部分岭估计的 Zernike模式前重建算法。首先, 基于 Zernike模式波前重建模型, 分析了常用的模式系数求解方法; 其次, 在最小均方误差意义下, 将部分岭估计的概念引入到自适应光学系统的波前重建算法中, 通过确定最优岭估计参数来改善最小二乘估计的奇异性, 从而抑制波前探测中测量误差的进一步被放大; 最后, 讨论了在波前斜率误差的影响下由两种算法所产生的误差大小。仿真实验结果表明: 在波前重建算法中引入部分岭估计可有效减小模式系数的均方误差, 相对于奇异值分解法减小了 8%~10%, 在波前探测测量误差增大的情况下, 部分岭估计的波前重建精度要高于最小二乘估计法, 有利于自适应光学后期中基于波前探测的图像复原研究。