从改进斜入射斜接收式激光三角法的光路系统角度出发, 提出了一种对液面反射光线采用线性光学放大的光路设计, 将液面微小位移变化线性放大为光电检测器上的光点位移变化来提高液位检测分辨率。对曲面镜的线性放大原理进行了理论推导, 介绍了线性放大曲面镜曲线函数表达式的数值计算方法以及计算机程序流程。仿真实验结果表明, 该线性放大曲面镜可以实现线性放大功能, 能够有效地提高激光三角液位检测系统的液位检测分辨率, 同时可保证检测系统具有较小的非线性误差。该光路设计方法也可应用于具有位置线性放大的光学位置指示系统中。

为在平面上实现所需的照明, 满足照明系统的要求, 需要对光学系统进行二次设计。传统的设计方法往往用规则曲面指定透镜的一个表面, 并以此为基础来设计另个一表面, 这样会导致其表面形状复杂, 不方便加工或装配。对此, 提出了一种基于单曲面迭代计算的透镜曲面设计方法, 即适当设计指定光线从透镜的一个表面到另一个表面的光路分布, 再以此分别迭代计算透镜的各个表面。该设计方法采用两个自由曲面配合成曲面透镜, 较以往的设计方法更加灵活、方便, 设计得到的曲面镜头较以往更加简单光滑, 便于加工和装配。结合一陈列灯镜头设计, 给出了基于单曲面迭代计算的曲面透镜设计计算结果。

基于荧光偏振理论, 设计了一套HBV多聚酶基因检测光学系统。该光学系统包括荧光激发系统和荧光检测系统。使用荧光激发系统对激发样品产生荧光, 由荧光检测系统对荧光进行水平和垂直两个方向的荧光强度检测, 从而获得荧光的偏振度。通过更换该套系统中的滤光片可实现对400～550nm范围内的样品荧光偏振度的检测。运用该光学系统进行了临床实验, 结果表明, 系统测试方法具有简单易行、灵敏度高、精确可靠、抗干扰能力强的特点。

光纤已广泛应用于当今社会的信息传输领域。为了满足长距离光纤传输中高质量光纤熔接的需要, 介绍了一个应用于光纤熔接系统的透射光纤纤芯检测系统。该系统中的核心器件是一组能对光纤纤芯成像的特殊镜头。借助于ZEMAX软件, 设计了这组检测镜头。该镜头具有8倍放大倍率、长工作距离、短结构、高精度等特点。论述了镜头的设计方案和设计过程, 并给出了满足要求的设计结果。通过在LightTools软件中对整个系统检测结果的模拟, 证明了该设计的可行性。

为了实现道路照明所要求的矩形光斑分布, 以满足LED路灯照明系统的要求, 依据光源特性和路面的光斑分布, 通过折射定律建立透镜母线的斜率方程, 根据该方程设计了用于矩形光斑分布的LED路灯透镜, 采用正交优化方法, 利用Light Tools软件对所设计的透镜光学系统进行仿真比较研究, 得到了一个矩形光斑分布的光学透镜。仿真结果表明, 该透镜光学系统在高度为10m的照射条件下, 照射面积为40m×10m的矩形光斑, 均匀度为0.31。对有光斑尺寸要求的LED路灯透镜来说,该方法提供了一种简单有效的设计途径。

针对薄板焊接变形测量难的问题, 提出了一种非接触式三维光学实时测量薄板焊接变形的新方法。首先通过2个高分辨率高速数字相机从不同观察点同时拍摄物体运动的视频图像；然后运用三维重建技术, 包括共线方程、基于共面方程的像片定向、直接线性变换解法、外极线几何约束和光束平差解法等重建待测标志点的三维坐标；最后依据同名点将不同时刻薄板的变形状态关联起来, 计算出待观测点的焊接变形量, 并实时绘制显示出变形曲线。与传统方法相比, 该方法具有不受焊接温度及强烈干扰影响和实时、高效、高精度等优点。

原位测量是提高光学自由曲面面形精度的重要手段, 对于提高加工效率、实现加工过程自动化具有重要意义。由于面形的复杂性, 光学自由曲面原位测量一直是超精密测量领域的难题。提出了一种基于超精密机床的光学自由曲面原位测量方法, 测量系统由LVDT气浮式传感器、红宝石探针和数据采集部件组成, 采用螺旋线方式进行加工及测量路径的设计, 通过运动控制接口实现机床坐标和测量数据的实时同步采集, 快速精确地获取测量数据。实验结果表明, 所加工的双正弦自由曲面的面形误差在±0.5μm范围内。

多基色显示系统采用增加基色数量的方法能有效地扩大显示器的再现色域。针对三基色到多基色的映射线性方程组解的不唯一性, 提出了一种基于亮度最大的线性规划优化算法。该方法根据颜色亮度和色域之间的关系, 用线性规划求得亮度最大值时的最优解。最后将该算法运用到了五基色显示系统。结果表明, 白点亮度达到了最大值, 同时系统的色域较三基色显示系统扩大了约20%。

在检验光路中, 采用补偿透镜来补偿口径为φ500mm的非球面透镜的使用波长(λ=1053nm)与检测波长(λ=632.8nm)之间的色差。给出补偿透镜的求解方法, 得到非球面透镜的补偿检验光路, 并就非球面透镜的检验精度进行分析。通过精度分析可以看出, 在此种补偿检验光路下, 非球面透镜的透射波前PV不低于0.2λ(λ=632.8nm), 可满足元件的精度要求。

提出了关于V字型铁电液晶(V-shaped Ferroelectric Liquid Crystal, VFLC)的等效电路模型, 旨在将EDA技术引入对VFLC光电集成系统进行研究、开发和设计。该模型考虑了由铁电液晶盒多层结构和驱动电路引起的阻抗分配效应, 以及极化与非极化锚定能对VFLC光电响应特性的影响。演示了电光迟滞曲线的反常迟滞、V字型及正常迟滞状态, 并着重就自发极化强度对电光迟滞曲线的影响给出了模拟结果和分析。结果表明：强制电压随驱动信号频率的提高而增加, 但增加速度随自发极化强度的提高而减慢；强制电压和迟滞反转频率随自发极化强度的变化均存在一个拐点, 强制电压在自发极化强度为80nC/cm2时取到最小值(-0.084V), 迟滞反转频率在自发极化强度为90nC/cm2时达到最大值(6.4Hz)；自发极化强度小于80nC/cm2时, 迟滞反转频率随自发极化强度准线性增加。模拟结果从量级和趋势上均与实验结果吻合。

为解决目前颜色测量仪器测速慢、体积大的问题, 采用先进的颜色测量方法——光电摄谱法, 设计了一种微型测色分光光谱仪。仪器由光学系统、信号采集与处理电路、测色软件三部分组成。阐述了系统的总体设计。采用线阵CCD(TCD1304AP)作为光电探测器, 采用ARM嵌入式处理器作为中心处理器件, 仅在一片LPC2214上完成了CCD的驱动及信号采集存储系统设计, 并选择USB作为数据传输设备, 从而有效地减小了仪器的体积。结果表明, 此仪器测量精度高, 测量速度快, 方便携带。

优化LED路灯光强分布测试系统的测试步距角可以较大程度地提高LED路灯测试的效率。选择不同的测试步距角对LED路灯的光强分布进行测试, 将1°测试步距角所测得的路灯光强分布视为真值, 采用相关分析的方法研究在较大步距角下所测得的路灯光强分布与真值之间的近似程度。研究结果显示, 当相关系数要求在98%左右时, 可以选择15°测试步距角对LED路灯的光强分布进行测试, 相对于真值测试, 在此步距下LED路灯的测试时间减少了98%以上, 极大地提高了测试效率。

光学透镜的中心厚度是光学系统中的一个重要参数, 其加工质量的好坏对光学系统的成像质量具有很大的影响。提出了一种基于共焦原理的非接触在线检测技术。系统的测量范围可达到9.8mm, 测量精度可达到14.7μm。

精密电子组装中贴装元件的检测定位通常采用针对元件形状特征的分析方法。但是随着贴装元件形状的多样性, 使得基于元件形状特征分析的检测定位变得困难。提出了一种新颖的基于投影的目标旋转角度测量方法。首先预先精确建立元件目标投影长度与旋转角度之间的关系, 然后检测运动目标的投影长度, 最后通过查找建立的投影长度与旋转角度之间的关系, 即可确定角度旋转量。为了提高该方法的定位精度, 采用图像重采样技术来提高角度检测精度。实验结果表明了该方法的有效性, 旋转角度测量具有快速、高效和高精度的特点。

偏振态的测量在光通信领域有着重要的作用, 因此越来越受到人们的关注。在分析现有方案的基础上, 推导出了新的斯托克斯计算公式, 以此公式为依据提出了一种能对高速变化的偏振态进行实时测量的新方案, 并对可能产生的误差因素进行了分析。给出了制作实用化测量模块所要达到的器件要求和制作工艺。

针对光子相关光谱法不能测量高浓度纳米颗粒粒径和双光束互相关测量法装置结构过于复杂等问题, 提出了一种基于范西特-泽尼克定理的单光束互相关法。首先分析了传统双光束互相关法存在的问题, 然后根据范西特-泽尼克定理建立了单光束互相关测量法的模型, 设计完成了单光束互相关颗粒粒度测量装置, 最后对各种浓度不同粒径的颗粒进行了测量。实验证明, 单光束互相关法能有效抑制多重散射的影响, 适用于测量高浓度纳米颗粒粒径。

相机在从地面到太空的过程中, 需要经历重力、温度、气压、辐射等多种环境因素的变化, 而这些因素都可能导致空间相机分辨率下降、像质变坏、功能失效甚至系统破坏。所描述的系统工作于18±15℃的温度环境, 要求光学反射镜在30℃温度变化范围内仍能正常成像。经优化设计, 应用计算机仿真手段进行了静、动态及热特性的分析,提出了一种采用中心粘接结合Bipod柔性支撑形式, 解决了在大跨度环境温度范围下的反射镜结构支撑问题。

大气中风速和风场分布的精确测量具有重要的军用和民用价值。近20年来, 相干激光雷达对风场的遥测被经常用于大气边界层风场的精确测量。首先介绍了相干激光测风雷达的工作原理；然后对其相关的指标体系进行了详细的分析和论证, 主要包括工作波长、探测灵敏度、测速精度以及作用距离与发射功率的关系等技术指标；最后给出了目前较优的相干激光测风雷达系统的技术方案和技术途径。在此基础上, 采用1.5μm窄线宽激光光源设计了一套全固态、小型化激光相干测风实验装置, 并进行了相关实验。

纳米级和皮米级激光测距是光学技术中的重要一环, 同时也是深空引力波探测实验所必须的技术。德国汉诺威的爱因斯坦研究所为此提出并实现了一种基于相位深度调制技术的外差式激光干涉仪, 作为 LISA 计划测距系统的后备方案, 在数值处理过程中使用了 Levenberg-Marquardt 非线性拟合方法作为干涉仪光学读出算法。探讨并展示了另外两种新的外差干涉仪光学读出拟合算法。第一种算法采用近似并迭代的数值方法将拟合过程分为两次迭代：第一次估算干涉仪的调制深度和调制相位, 第二次线性迭代拟合干涉仪的相位和振幅。另外一种算法首先利用离散傅里叶变换计算频谱, 然后从频谱中拟合出干涉仪的调制相位, 之后采用高斯-牛顿迭代方法线性拟合调制深度、相位和振幅。在空气中长时间运行的结果显示, 第一种拟合算法的连续测距误差小于 0.24 nm, 第二种算法的误差在 0.19 nm 左右, 比原来的非线性拟合算法分析得到的误差小了 5~6 倍。

从自混合干涉效应的等效结构出发, 建立了该效应的一般模型。该模型包含了多重光反馈和多模激光的自混合干涉效应等情况, 并且可以转化为以往所报道的弱光反馈水平的弱光模型和单模条件下的一般激光自混合干涉模型, 明确了模型中各个参数的物理意义, 对自混合干涉理论的研究提供了很好的理论指导。对单模的几种情况分别进行了数值仿真, 仿真结果很好地验证了模型的正确性。

针对手动跟踪设备激光测距机对空中运动目标距离准测率低而难以建立目标航路的问题, 提出了一种激光轴同步偏转控制技术。用摄像机摄取目标图像, 并由图像处理器求出跟踪误差, 控制测距机中的某些小型零部件偏转, 同步改变激光发射和接收光轴, 有效补偿跟踪误差, 以达到提高距离准测率的目的。详述了激光发射和接收光轴变化的原理和计算方法以及激光发射与接收轴同步偏转控制技术的原理和实现方法, 分析了使用该技术对跟踪仪性能的影响, 介绍了室内台架试验和室外跟踪试验的试验情况, 并由试验结果得出了在手动跟踪设备采用本技术后距离准测率可明显得到提高的结论, 具有较高的应用和推广价值。

给出了描述半导体激光器列阵(LDA)稳定状态的非线性方程组。对非线性方程组进行了分析, 研究了LDA在稳态运行时的特性。分别分析了LDA在同相模运行和反相模运行时, 载流子浓度、振荡频率以及光子数密度与自由运行时相比较所发生的变化。

为提高光电成像系统的空间分辨力, 提出了一种基于改进的频率域图像配准技术的超分辨力图像处理方法。首先利用改进的频域图像配准方法估算出低分辨力图像之间的微位移量, 然后采用Papoulis-Gerchberg超分辨力处理方法完成图像复原。利用不同重构方法进行了仿真及实验研究, 给出了评价参数。模拟和实际显微热图像的处理结果表明：该算法可使图像质量得到改善, 分辨的细节更多, 可有效地提高光电成像系统的空间分辨力；处理算法简单, 计算量小, 可实现快速处理。该算法还可应用于其他不可控光学微扫描成像系统中, 具有广泛的应用前景。

粒子群算法是一种新的进化算法, 算法思路适合于进行视频跟踪, 但是由于在视频跟踪过程中以跟踪窗口作为粒子, 因此该粒子具有中心点横坐标、中心点纵坐标和窗口半径三维特征向量, 计算冗余较大, 难以满足视频跟踪的实时性要求。提出了一种多粒子群视频跟踪算法, 即在跟踪过程中使用多个粒子群, 粒子群与粒子群之间粒子半径不同, 在各粒子群以评价函数收敛到最佳中心点后, 再完成各自半径的一维粒子群计算。这样就可将三维粒子群计算分为一个两维和一个一维粒子群计算, 最后通过比较得出最佳粒子, 作为搜索结果。分析了这一算法成立的必要条件, 即当选择Bhattacharyya 系数计算方法作为粒子群算法的评价函数时, 大于目标的固定窗体的中心点可以收敛到目标的形心。实验证明, 这种基于多粒子群的跟踪算法可以应用于实时视频跟踪, 其跟踪效果优于传统算法。

为了提高角点检测的精度, 满足算法的稳定性与实时性, 提出了一种基于曲率多尺度和局部迭代的亚像素角点检测算法。首先基于Canny算子和自定义边缘跟踪算法检测目标轮廓,然后利用多尺度曲率多项式得到像素级的角点, 最后以像素级角点为中心, 利用向量正交性原则, 采用迭代算法及双线性插值得到子像素级角点。实际测试表明：该方法检测效率高, 提取到的角点稳定, 精度可以达到0.2pixel, 可满足实际应用中的实时、高精度要求, 目前已成功地应用于嵌入式机器视觉工业现场。

图像去噪是遥感图像复原的重要步骤。在去除图像噪声的同时希望尽可能多地保留图像的纹理细节信息。受较差的成像环境和图像数据远距离传输的影响, 遥感图像中一般都含有较强的高斯-脉冲混合噪声, 而在现有的图像去噪算法中, 能够同时去除图像中的高斯-脉冲混合噪声的通用噪声滤波器很少。以非局部平均方法的滤波思想为基础, 通过引入邻域相似度评价的概念和脉冲噪声探测器, 提出了基于邻域特征匹配的通用噪声滤波器。实验结果表明：基于邻域特征匹配的通用噪声滤波器具备有很好地去除图像高斯-脉冲混合噪声的能力, 在去除高斯-脉冲混合噪声的同时能够很好地保持图像的复杂纹理和精细细节, 并且便于向DSP/FPGA多处理器平台上移植。

针对无线多媒体传感器网络广泛的应用前景和目前节点平台稀缺的情况, 设计并研制了一种小型化的无线多媒体传感器网络节点。节点采用ADI公司的ADSP-BF561微处理器和Helicomm公司的基于Zigbee网络协议的无线收发模块IP-Link研制而成。在输入通道上可分别支持模拟图像传感器和数字图像传感器。输出通道具有多媒体传输通道和数据/命令传输通道, 其中多媒体传输通道用于传输实时的模拟视频, 数据/命令传输通道用于传输节点处理之后的有效数据以及接收来自上层网络的命令。

低信噪比环境下, 人们运用中值滤波与维纳滤波等作为图像预处理手段获得了一定的效果, 但是图像预处理严重地影响了对焦速度。在低信噪比环境下所提出的避开图像预处理的最佳自动对焦方案为：首先, 采用HSI分析法把RGB彩色图像转换为亮度信号；其次, 利用能量梯度算子作为图像评价函数；最后, 运用爬山算法控制策略进行自动对焦。结果表明, 此方案的运算时间优势非常明显, 对焦准确度最佳, 可满足实时对焦系统的对焦速度与对焦准确度的要求。

越来越多的与微粒相关的技术问题在许多领域出现, 这些问题都与Mie散射理论有关。利用Matlab改进算法, 对球形微粒子Mie散射特性做了较为全面和深入的分析, 有助于Mie散射理论的研究和应用。

利用透射波函数和由菲涅尔公式求解反射相位差并对其求导的方法, 分析了非常偏振光在单轴晶体表面发生的全反射现象, 求解出晶体光轴在入射面内时, 非常偏振光从各向同性介质入射到晶体和从晶体出射到各向同性介质两种情况的隐失波穿透深度和Goos-Hnchen位移的一般表达式。通过计算机模拟给出了单轴晶体为方解石和水晶情况时的穿透深度和Goos-Hnchen位移图像。结果表明, 对于不同的晶体, 光轴的取向对穿透深度和Goos-Hnchen位移的影响是明显不同的, 若选取合适的晶体、光轴取向和入射角, 可以得到较大的隐失波穿透深度和Goos-Hnchen位移。