应用改进的云纹法测量微小物体漂浮在水面上所产生的水面凹陷曲面的三维形貌, 并根据此三维形貌来定量测量微小物体受到的微浮力和表面张力, 分析其与水面的相互作用。通过对不同大小的硬币浮在水面上所形成的液面三维形貌的测量以及进一步的分析表明: 硬币浮在水面上是表面张力和浮力共同作用的结果, 其中浮力起主要作用。该实验验证了所提出的技术可以方便地应用在液面微形貌测量以及表面张力和微浮力等研究中。

现有折弯机在母线的角度测量中一般采用光栅尺或编码器, 针对这种接触式检测方法存在的局限性, 提出了基于视频技术的角度检测方法, 这种非接触式测量方法不仅使角度的检测更加方便, 而且增加了折弯机机头机械设计的灵活性。分析了母线在进行边缘检测时角度存在跳动的原因, 提出了一种通过抑制伪边缘的方法来控制检测角度的不稳定性。以铜、铝母线为原型, 将设计的光学检测系统应用在数控折弯机上, 通过单片机控制油缸的动作, 实现了母线的折弯过程。实验结果表明, 在折弯机中采用视频技术测量母线折弯角度, 不仅可以降低系统的开发成本, 而且可以减轻机械结构的复杂性, 同时也使角度的检测更加简单。

高速光电经纬仪的系统测角精度是一个复杂的函数关系, 由多种因素决定。对一种采用了连续变焦镜头的高速光电经纬仪的测角精度进行了全面分析。首先对设备的测角总精度进行分类, 并对变焦镜头在工作时产生的十字丝倾斜和所需要的焦距修正系数进行了深入的理论分析；然后通过实例和检测的情况分析了该设备的实时和事后的测角精度。为全面把握设备的性能、全面认识系统在变焦测量后的动态特性、探索变焦测量的测量方法以及实时分析空间定位精度提供了依据。

以一阶微分散射理论为基础, 从理论和模拟两个方面对超光滑基片表面的散射电磁场进行了数值研究。分析了s偏振光和p偏振光的微分散射随入射角和散射角的分布情况。研究发现, 当入射角较大时, p偏振光在某个散射方向的微分散射为0, 而无论入射角和散射角如何变化, s偏振光的微分散射均大于0。当用光散射法对超光滑基片进行表面测试时, 相对于p偏振光, 选择s偏振光入射可以避免在某些特定位置处散射强度为0, 导致无法测量的情况；同时, 采用s偏振光比p偏振光具有更高的光电检测效率, 更适合于超光滑基片表面的测试。

离轴凸双曲面的加工和检测是非球面加工检测中的一个比较困难的问题。结合一块口径φ230mm、离轴量226mm的凸双曲面镜, 提出了离轴凸双曲面镜单修加工以及采用离轴Hindle球检测偏转角度的离轴凸双曲面镜这一方案。给出了单修加工工艺, 并解决了检测光路的搭建难点。加工完成的离轴凸双曲面的面形精度RMS优于λ/50(λ=632.8nm)。结果表明此方案是可行的, 具有重要的现实意义。

为满足单线阵CCD相机立体测绘定位的需求, 研究了相机几何误差对定位精度的影响, 并建立了它们之间的数值模型, 为相机的几何指标分析和量化提供理论支持。首先针对单线阵立体成像特点, 分析了几何标定和像点量测误差对定位结果的影响；然后以前方空间交会公式为基础, 推导出定位精度评估模型。该模型给出了定位精度随几何标定和像点量测误差的变化规律；最后以IKONOS卫星为应用算例, 验证了模型的正确性。

焦平面板作为承载TDICCD器件的部件, 其强度、动静态刚度、热稳定性直接影响到遥感器的成像质量。针对目前光学遥感器大视场、宽覆盖的发展趋势, 设计了一种新型的焦平面板。选用性能指标优良的高体份SiC/Al复合材料, 既满足了结构设计指标的要求, 同时又大大降低了产品重量。通过有限元模拟仿真分析和相关试验, 验证了设计方案的可行性。

反射镜支撑结构通常需要具有一定的柔性来保证其面形精度, 但这将引起结构固有频率降低, 使得结构抵抗振动的能力下降。针对这一问题, 开展了利用阻尼技术改善反射镜支撑结构动态性能的研究。建立了反射镜组件、相机机身和基础耦合的动力学模型, 推导出系统传递函数、模态阻尼、振型等参数, 并据此进行了理论分析。重点分析了在反射镜部分增加阻尼对镜体和机身振动传递特性的影响, 并进一步从模态阻尼及振型分析等角度对这种影响产生的原因给予了解释。在理论分析的基础上, 采用有限元法对所建立的更为精确的有限元模型进行了仿真研究。研究结果表明: 在反射镜支撑结构中增加黏弹性阻尼元件可有效衰减反射镜组件的振幅和动应力, 系统二阶频率处的振幅衰减达到6dB, 一、二阶固有频率处的动应力衰减程度分别达到了28%和60%。由此可见, 在反射镜支撑组件中加入阻尼元件是一种有效改善结构动力学性能的措施。

为了确保成像质量, 空间光学遥感器反射镜既要满足在重力和温度耦合的复杂工况下面形误差的要求, 同时还应具有良好的动态特性。设计了一种圆形小型反射镜, 并类比反射镜径向挠性安装原理设计其柔性支撑结构。采用CAE有限元分析软件对该反射镜的柔性支撑结构的参数进行了优化, 最终确定了一种合理的柔性支撑结构。经过分析计算, 该柔性支撑结构能满足在重力和温度耦合的复杂工况下反射镜面形误差小于λ/50 (λ=0.6328μm)的要求, 反射镜组动态特性良好, 一阶模态大于280Hz。

为了满足监控系统中单镜头可实现全景监控的需求, 运用仿生学原理, 在原有鱼眼镜头的基础上结合监控系统的需求, 运用ZEMAX软件设计了一款视场为180°, 相对孔径为1/1.6的鱼眼镜头。该镜头由9片透镜组成, 总长度为68.5mm, 采用1/3英寸CCD作为图像接收器件。在120lp/mm时, 其MTF曲线在轴上大于0.4, 在80lp/mm时, 在0.7带上大于0.3。由于是超广角镜头, 此镜头畸变很大, 在边缘视场具有接近100%的桶形畸变。

阐述了现代变焦距目镜的特点及其设计方法, 给出了一种三倍变焦目镜设计的结构形式。这种变焦目镜结构紧凑, 成像质量优异, 可以取代传统的二倍变焦目镜, 是一种有应用价值的变焦目镜形式。该设计将目镜的出瞳作为变量, 使入瞳位置保持稳定以衔接物镜出瞳, 并最终得到了一个8.24~24.1mm的变焦目镜。采用一种新型的方法绘制了凸轮曲线图形, 该公式简单、准确, 可以替代老的计算公式, 值得推广应用。

利用蒙特卡罗方法对紫外光非视距传输过程进行了模拟, 讨论了传输过程中固体角的确定, 仿真分析了系统的角度设置对传输损耗的影响。结果表明, 增大收发仰角可以降低系统的传输损耗, 并且小角度集中发射与大视场角接收可以降低系统的传输损耗。

根据热量传递机理建立了智能服装中光纤布拉格光栅人体测温的热传递物理模型, 对人体、空气层和服装之间的热传递进行了有限元建模和稳态热分析, 确定了智能服装中光纤布拉格光栅温度场的数学模型, 利用该数学模型对光纤布拉格光栅测量温度值进行了修正。在多点加权皮肤平均温度的基础上, 提出了由左右胸、左右腋和后背五处皮肤温度构成的智能服装人体温度加权模型。由克拉默法则得出了智能服装人体温度加权系数: 左前胸为0.0826, 左腋为0.3706, 右腋为0.3706, 后背为0.0936, 右前胸为0.0826。人体穿着智能服装的实验结果表明, 基于光纤布拉格光栅的智能服装温度检测动态范围为33~42℃, 人体温度测量误差为±0.2℃, 可应用于人体温度的高精度监测。

研究并实现了一种基于衍射光栅的FBG解调系统, 针对该解调系统从理论上分析了光纤内的模式分布, 分析了由FBG引起的模式间耦合效应。根据高斯光束经过该系统后的空间光强分布, 采用多项式拟合的方法实现了反射光谱峰值定位算法。通过与高精度光谱仪的测量结果对比表明, 该解调方法具有较高的波长解调精度和稳定性。由于系统中不存在扫描机构, 该技术可以实现较高的动态扫描频率。

为了对具有纹理图案的纺织品缺陷进行准确有效的检测, 提出了一种新的基于规则带(regular band, RB)特征的纹理图案布匹瑕疵检测方法。首先利用规则带分析提取图像的各子带纹理特征；然后对各子带图像特征求梯度, 并通过融合各子带梯度来获得纹理梯度, 使其在纹理梯度中能有效地突出纹理区域的边界；最后在此基础上, 结合分水岭分割, 准确地检测出纺织品的缺陷区域。实验结果表明, 新算法能够准确地定位图案纹理中的瑕疵区域, 且操作简便, 鲁棒性强。

光学元件、结构件的加工和光机系统的装校会导致光学系统的入瞳孔径尺寸和焦距偏离设计值, 从而导致光学系统F数的改变, 并且光学系统在光谱谱段内成像, 光学系统的空间截止频率也在改变。分析了入瞳孔径尺寸D(100~1000mm)、焦距f′(400～2000mm)、F数(4～20)、光谱波长λ(350～800 nm)的变化对光学系统MTF的影响。结果表明: 增大入瞳孔径尺寸D、空间截止频率foc, 有利于提高光学系统的MTF；增大焦距f′、F数、波长λ和规化频率μ, 会降低光学系统的MTF。MTF对λ的敏感度是MTF对F的敏感度的F/λ倍, MTF对D的敏感度是MTF对f′的敏感度大小的F倍, 且方向相反。对于成像光谱谱段较宽的光学系统, 应注意波长λ对MTF的影响。

采用多维显微成像技术, 结合有关动、静态图像分析方法, 通过测定鳄鱼血红细胞在不同pH值下其形态参数(包括红细胞的接触面积、周长、长轴、短轴、伸长率和圆度)和反映细胞变形能力的频颤变化, 揭示了鳄鱼血红细胞形态结构与有关生理功能随环境pH值的变化情况。结果表明, 鳄鱼红细胞无论形态结构还是变形能力都比人体的红细胞更耐受酸性环境, 原因是鳄鱼红细胞血红蛋白有较少的磷酸盐结合位点和有较多的HCO-3结合位点。

利用双曝光CCD相机成像技术, 研究了小直径光束穿越可压缩混合层流场后所引起的气动光学效应。实验研究结果表明: 在不同对流马赫数(Mc＝0.17, 0.45)下, 光束投影(点扩散函数, PSF)发生了不同程度的变形和偏移。此外在不同对流马赫数下细光束投影都存在扩束、缩束和面积几乎不变的现象, 但光束投影出现扩、缩束的概率不同。

研究了两个二能级原子分别与耦合腔A和B发生共振相互作用时的情况, 给出了总激发数为1时系统态矢的演化。通过对原子1和原子2占有激发子的几率, 以及腔A和腔B具有1个光子的几率计算, 研究了系统的动力学行为。讨论了腔场间的耦合强度变化对系统动力学行为的影响。研究结果表明: 随着腔场间耦合的增强, 系统初始的激发子分布在原子1和原子2中的几率增大, 腔A和腔B具有1个光子的几率减小, 两原子间的纠缠增强。

基于矢量瑞利-索末菲衍射积分,研究了矢量空心高斯光束横向光场和纵向光场在自由空间中的传输特性。研究结果表明, 空心高斯光束的横向光场与纵向光场在传输过程中光强分布情况并不相同, 横向光场的光强分布具有旋转对称性, 并且保持空心特性的距离受光束阶数的影响, 而纵向光场不再具有旋转对称性, 并且在理想状态下纵向光场可以一直保持空心特性。纵向光场在近场时的光斑特性可用于合成径向偏振光束。传输距离以及f参数(f=1/kω0)的大小会影响纵向光场在总光强中所占的比重。

应用多光子非线性Compton散射模型和非线性薛定谔方程, 研究了Compton散射对五阶非线性零色散附近调制不稳定性的影响。将入射光和Compton散射光作为产生调制不稳定性的机制, 分析了光纤损耗、四阶色散和五阶非线性对增益谱的影响。结果表明: 散射下的正或负五阶非线性分别使零色散附近的增益谱宽和峰值比散射前增大得更大或减小得更小；四阶色散使增益谱宽比散射前宽, 对负色散区增益谱的影响强于对正色散区的影响；但对两个区域的影响均不能忽略, 这主要是由于散射使色散和非线性明显增大的缘故。

推导出了等效Fabry-Perot腔输出光强的表达式, 结合Labview和Matlab软件编写了自适应噪声抵消器。提出了将自适应噪声抵消器应用到激光散斑信号的去噪处理, 并通过计算散斑频谱能量密度推算出了被测目标的速度。基于Labview软件编写了监控程序, 通过以太网实现了远程控制激光散斑信号对运动物体速度的实时测量。

采用传输矩阵法对两端对称负折射率缺陷复合光子晶体结构［D(AB)mD］N的透射特性进行了研究。结果表明: 当N=2时, 该结构透射谱的禁带出现两个完全共振透射峰, 当N增加时, 每个共振透射峰又分裂为N-1条；当复合光子晶体的层数m逐渐增加时,透射峰的品质因子逐渐提高, 且分裂的共振透射峰距离逐渐减少；既为该结构实现高品质的多通道滤波器提供了理论依据, 同时也为有效使用禁带提供了基础。当负折射率缺陷层的折射率绝对值增加时, 各透射峰向长波方向移动, 且缺陷层的折射率与透射峰的波长呈良好的线性关系, 可制作所需要的高效多通道光开关。