主要介绍了在聚集诱导发光领域的研究,包括具有聚集诱导发光特性的化合物种类、结构特点、内在发光机制,聚集过程限制分子内振动和转动与发光强度之间的关系,以及这类具有特殊发光现象的分子在荧光传感、生物成像、有机发光二极管等领域的应用。着重介绍了自身对原创性、系统性科学研究精髓的感悟与理解,引导青年科技人员注重创新性思维以及科研工作的深入和积累。

调制转台的到位精度以及速度平稳性直接影响舰载旋转调制激光陀螺惯性导航系统的导航定位精度。摩擦会使调制转台产生极限环现象,进而严重影响调制转台的到位精度以及速度平稳度。针对上述问题,基于变结构控制策略设计了旋转调制激光陀螺惯性导航系统旋转调制转台伺服控制系统,可以有效克服由于摩擦、未建模误差以及电机力矩波动产生的极限环现象。仿真结果表明,存在摩擦、未建模误差等外界干扰的条件下,调制转台的到位精度以及速度平稳度均能得到较为满意的结果。

针对相关跟踪过程中障碍物遮挡,噪声和目标形变对跟踪稳定性的影响,提出了一种基于加权最多邻近点距离的相关跟踪方法。采用模板图像与实时图像的相似点个数并与距离进行加权的方式定义相似性度量,结合相似度对目标模板进行更新,采用Kalman算子预测目标位置并进行分层搜索,实现快速稳定跟踪目标。实验结果表明,该方法能较好地抑制噪声和目标遮挡的影响,目标遮挡重新捕获成功率高于80%,目标跟踪精度低于10个像素。

线结构光作为一种主动式、非接触的测量技术,在质量检测、数字化建模等领域具有无可比拟的优势。城市的发展使得轨道列车的需求越来越大,因此车体的尺寸精度将直接影响列车的装配质量、行车性能和安全。提出了基于线结构光的轨道列车车体尺寸测量方法和该系统的标定方法,同时搭建了测量实验系统,实现车体空间尺寸精确可靠的自动化测量。该标定方法降低了标定设备的成本,简化了标定过程,提高了测量系统工程化应用的便捷性。实验结果表明,使用这种标定方法使整个测量系统测量精度达到0.5 mm。

相位测量偏折术(PMD)是近几年在光学测量领域内普遍使用的一种非接触式的高精度测量方法,该方法需要CCD相机拍摄经被测光学元件反射的在显示屏上显示的条纹图,而CCD自身存在的镜头畸变会对测量精度产生一定的影响。为避免这一影响,提出了在梯形畸变和镜头畸变同时存在的情况下保留梯形形状而只校正镜头畸变的矢量Zernike多项式校正方法。该方法首先利用光轴与被拍摄面的交点及相机和被拍摄面的相对位置来求取与光轴垂直的辅助面上的标准图,然后利用矢量Zernike多项式拟合标准图与畸变图的坐标得到二者的映射关系,接着运用得到的映射关系对畸变图进行校正。实验结果表明:提出的畸变校正方法可以有效地降低测量误差,提高测量精度。

傅里叶变化轮廓术将结构光投影与傅里叶条纹分析相结合,只需一帧变形条纹就可以重建被测物体三维面形,是动态三维面形测量中的首选。选择最适用于傅里叶变换轮廓术测量系统的二值条纹编码方法,对二值化后的正弦条纹进行离焦投影,既克服了普通商用数字投影仪的刷新频率限制和非线性响应影响,又能充分利用光学成像系统的低通滤波特性获得很好的高速正弦光场。设计搭建了一套高速离焦投影条纹并同步采集的三维面形测量系统,利用该测量系统对高速旋转的散热器风扇进行测量,得到任意采样时刻风扇扇叶的三维面形信息,重建完整的风扇转动过程。能进一步分析散热器风扇扇叶在高速转动过程中的形变,为散热器风扇材料选择以及改善其性能提供可靠的测量技术方案与原始数据,有效地拓展了动态三维面形测量的应用。

基于斜率检测的相位偏折术能够快速、简单、准确地测量光学元件面形和透射光学元件畸变波前。借助点光源显微测量系统对参考点坐标的准确测量提出了空间直线预标定的方法,利用它得到了相机中CCD面阵上每个像素对应每条光线的方向向量,通过每条光线的方向向量和被测面方程,追迹得到了被测面的世界坐标,从而求出被测面上各点斜率,采用波前重建算法,实现了光学元件面形的准确重建。实验结果显示,拟合面形去掉Zernike多项式前4项的RMS数据与干涉仪的测量结果最大相差仅约10 nm,并且实验中重建的面形与利用张正友提出的标定方法坐标计算重建的面形几乎相同。因此,空间直线预标定法切实可行,可以实现高精度的反射光学元件面形测量,且测量系统简单,具有应用价值。

为完善医用硬性内窥镜成像质量的检测方式,设计了基于刀口法的内窥镜调制传递函数测量系统。建立了刀口扫描法的理论模型,通过CMOS对高精度扫描的刀口像的灰度值进行采样获得刀口扩散函数,再将其进行微分和傅里叶变换得到内窥镜的调制传递函数。实验对0°鼻窦镜进行多次测量,经过分析计算得到的调制传递函数曲线较为稳定,结果表明该系统能够实现对内窥镜调制传递函数的自动化测量。

为了提高智能化检测精度,提出了基于双目线结构光的机车闸瓦厚度检测方法,利用线结构光获取物体表面信息,对采集的图像进行光条中心线提取,再根据双目视差原理得出闸瓦的三维信息,从而求出闸瓦厚度。实验结果证明,该方法检测精度高,可以有效解决闸瓦遮挡和视觉盲区等问题,能够满足实际检测需求。

设计了一种基于衍射元件的长焦距中波红外连续变焦光学系统,焦距为70~800 mm,11.4倍连续变焦。该系统采用二次成像技术,具有100%冷光阑效率,公差分配合理,没有冷反射和鬼像。在空间频率16 lp/mm处,所有焦段的MTF值均大于0.5。采用衍射元件,提高了光学系统的像质,减小了光学系统的体积和重量,采用凸轮变焦,光机结构紧凑、重量轻。

昆虫复眼具有小型化、多孔径、大视场、高灵敏度等特点,开展仿生复眼在成像探测技术方面的应用具有重要的意义。介绍了复眼的分类、结构和成像特点,结合当前仿生复眼的研究进展和技术水平,对大视场复眼成像探测系统的结构进行了探索和研究,得到了三种适合用于探测系统的复眼探测结构,对其结构形式进行了介绍,对其优缺点进行了分析,并选取其中一种较好的方案进行了详细设计。所设计的复眼由37个子眼组成,总视场150°。对仿生复眼在光学成像探测方面的应用进行了有益的探索,具有一定的前瞻性和参考价值。

基于光机热集成设计分析,设计了一种扩展中波红外定焦镜头光机系统(焦距f=60 mm,工作波段2.5~5.3 μm),在设计光学系统和光机结构时就充分的考虑了环境温度、系统热变形对光学性能的影响,建立了镜头组的有限元模型,并基于-40~+60 ℃的实际温度载荷展开了热力学分析,对热分析后各镜片的节点位移和面型变化通过Zernike多项式作为数据接口导入光学设计软件,给出了各典型温度值下镜头组的传递函数图。分析结果表明,在-40~+60 ℃区间红外镜头的各个视场成像质量良好,所设计的红外镜头结构可靠、简洁,能够满足设计和使用要求。

与其他复眼相比,虾蛄眼可以识别圆偏振光,这种特性对于偏振探测和目标识别的研究有很大的帮助,并为进一步仿生虾蛄眼偏振模型奠定了基础。首先利用斯托克斯算法与偏振光强吸收相结合,对虾蛄眼识别圆偏振光机理进行解析;其次,通过对虾蛄眼的生物特征参数进行了测试,获得微绒毛尺寸;最后,根据所测得的特征参数,在VirtualLab中模拟虾蛄眼识别圆偏振光的光路,得到模拟结果R145所吸收的能量为957.87 W,R2367所吸收的能量为0 W,S3为1,χ为90°,判断出圆偏振光的旋向,从而验证虾蛄眼识别圆偏振光机理的解析。

利用二维相对论电磁粒子模拟程序研究了激光等离子体中电子热流在各向异性等离子体中的发展演化过程,提出了单位时间内等离子体临界表面上输运的能量与电子自由路程之间的函数关系,得到了用经典Spitzer-Harm理论来描述的电子热传导公式,探讨了经典电子热传导模型与被限制的自由热流随时间的变化情形。数值结果表明,强激光照射等离子体薄靶时的初始时刻电子热流迅速增大,但由于周边的自生磁场对电子的运动有限制作用,因此热流随时间缓慢地减少。对这些过程的研究对于电子热流的衰减和热输运等过程有重要意义。

为构建照明用LED的PWM调光电路,设计了以上位机控制C8051F021微控制器为核心器件的1 kHz频率PWM信号发生器和以555定时器为核心器件的手动调节PWM信号发生器。阐述了这两种模式的PWM信号产生电路相互切换的方法,考虑了PWM信号的逻辑电平变换及其驱动缓冲、通讯接口隔离等实际设计要求。结果表明在微控制器运行模式下产生的PWM信号频率误差小于4‰,占空比误差小于0.1‰。本电路目前已应用于输入额定电功率达450 W、含有9个LED串列的某特种照明装置中。

针对全景系统中的大视场红外摄像机和可见光摄像机带来的图像畸变问题,在分析了畸变原理和数学模型的基础上,首先采用模板法标定摄像机的畸变参数,然后对畸变图像中像素点位置进行几何变换,再对像素点上的灰度值进行双线性插值法灰度校正,最后通过优化算法提高了图像运算速度。试验结果表明,设计的畸变校正算法能实时的校正全景系统中的畸变图像,有效提高了全景图像的观察效果。

OLED已经成为当今最重要的显示和照明技术,不仅在产业上得到了应用,在学术上也得到了广泛研究,已经成为一门新兴学科——有机光电子学,它不仅涉及化学、材料科学,也包含了物理、光学、电子学、器件物理、凝聚态物理、半导体物理学等诸多科学内容。从OLED的工作原理和所涉及的材料出发,介绍了高效率OLED器件结构的物理基础和设计原则,最后展望了有机半导体的未来发展方向。

红外传感器的前端采用高精度的A/D采样芯片具有14位的高动态范围,而显示设备一般支持256个灰度等级,只有8 bit的数据带宽。为保留图像的高动态范围并同时保留重要的低对比度的细节,提出了一种新的基于直方图的红外图像动态压缩算法。通过频域分离完成低对比度细节保留和增强,以及通过时域动态范围拉伸实现背景和目标细节分离的策略,很好地解决了保留较强的细节对比度和大幅度动态范围缩减的矛盾需求。实验结果表明,相较于传统直方图方法,基于新算法的红外图像获得了具有良好细节表现能力的全局性映射压缩,较好地抑制了图像中的底纹,消除了图像的不均匀性。

红外弱小目标的检测是红外搜索跟踪系统(IRST)中的一项关键技术,常用的目标检测算法存在受海杂波严重、虚警率较高等问题,分析了海天背景下红外图像的背景、小目标的特征,提出了一种海杂波背景下的红外小目标检测算法。首先统计图像的行均值和梯度,用最小二乘法拟合出海天线,然后利用形态学算子抑制图像背景,并采用自适应阈值将图像二值化,最后分析图像的梯度特征,抑制海杂波和云层的干扰。实验结果表明,该方法能精确地提取海天线,稳定地提取海天背景下的弱小目标,虚警率低于5%,目标检测概率超过97%。