为保证投影光刻物镜的成像性能并降低制造成本, 提出了一种更全面可靠的公差分析方法。该方法在以波像差均方根(RMS)值作为评价标准的传统分析方法基础上, 添加波像差峰谷(P-V)值作为评价指标, 并据此选择合理的补偿器组合。在系统波像差的RMS值和P-V值均满足要求的情况下, 采用了较少的补偿器, 从而有效地降低了系统的制造难度和成本。结合实验室设计的一套90nm投影光刻物镜进行了公差分析和补偿器优选。结果表明, 利用该方法选择的7个补偿器, 使得系统在97.7%置信区间内, 全视场波像差的RMS值≤0.0412 λ, P-V值≤0.2469 λ, 满足了90nm投影光刻物镜的像质要求。

当前对表面等离子体激元(SPP)耦合性能及其传播的研究已成为这一领域急需改进的课题。为了进一步使SPP纳米器件成为可能, 利用SPP波导结构设计了一种表面等离子体激元环形滤波器, 建立了SPP波导结构传输模型和金属光栅SPP传输模型。透射率仿真分析表明, 透射率会随着金属薄膜厚度的变化而变化, 当金属薄膜厚度降低时, 透射带宽会明显变窄, 且透射的峰值也会降低。滤波器结构仿真结果表明, 滤波器具有很强的消光效果, 在具有有效谐振频率的同时可以更好地实现阻碍非谐振频率。该研究对纳米等离子激元器件的实际应用具有一定的理论和实际意义。

人脸识别问题的特点包括样本的特征维数高和每个类别所包含的样本较少。设计有效的特征提取方法是解决人脸识别问题的关键要素之一。提出了在采用降采样获得特征的同时利用新的降采样方法多次对原图片进行降采样, 生成多幅训练样本, 进而缓解人脸识别中的小样本问题。实验结果证明所提出的方法能有效地提高分类器的精度。

单晶硅分光晶体作为同步辐射光源光束线单色器中常用的部件, 由于它对加工精度的要求越来越高, 所以减小加工过程中产生的残余应变显得尤为重要。介绍了线切割机加工单晶硅晶体的主要过程, 包括晶体定向的原理, 线切割机加工硅分光晶体的方法, 检测加工表面的粗糙度和面形。此外还利用上海光源BL14B线站测量了它的摇摆曲线, 其结果满足设计要求。

在空间遥感领域, 使用胶粘接技术安装光学元件越来越受到光机工程师们的青睐。与机械方法相比, 胶粘接方法具有更轻的质量、更低的成本、更容易装配。大部分结构胶在固化期间存在收缩现象, 结构胶的收缩会导致内应力出现, 内应力又会导致光学表面发生变形, 从而影响成像质量。为了在有限元分析中模拟这一过程, 提出了等效线胀法的概念。该方法是将结构胶的线收缩率等效成胶的线胀系数, 从而将结构胶固化过程的收缩等效成均匀温降导致的冷缩, 以便进行热弹性分析。分析结果表明: 在采用环带粘接方式时, 粘接面积越小, 镜面相应位置的面形误差越小, 反之越大; 粘接位置离镜面越远, 镜面相应位置的面形误差越小, 反之越大。对分析结果进行了试验验证, 结果表明: 当胶层质心到镜面距离为20.5mm、胶层宽度分别为15mm、20mm、25mm时, 镜面PV值变化量分别为0.64λ、0.92λ、1.10λ; 当胶层宽度为15mm、胶层质心到镜面距离分别为15.5mm、20.5mm、25.5mm时, 镜面PV值变化量分别为1.08λ、0.64λ、0.40λ; 当胶层质心到镜面距离为25.5mm、胶层宽度为25mm、胶层环形分布角分别为40°、60°、80°时, 镜面PV值变化量分别为0.38λ、0.52λ、0.88λ。分析和试验结果为实际的工程应用提供了理论指导。

为了研究 TiO2禁带宽度和光吸收系数对其光催化性能的影响, 利用电子束沉积方法在玻璃基底上制备了TiO2薄膜及Zr掺杂TiO2薄膜。采用拉曼光谱仪和分光光度计对膜的结构和吸收光谱进行了表征。研究结果表明:当退火温度为773K时,沉积得到的TiO2薄膜为锐钛矿结构薄膜; 掺杂使 TiO2禁带宽度变窄, 吸收波长红移,在 350~450nm 附近光吸收系数增大, 增强了 TiO2的光催化活性。

针对航天器快速移动时星敏感器所摄取的星空图像出现运动模糊这一问题, 提出了一种基于维纳滤波的星图复原方法。分析了各模糊参数对质心提取精度的影响, 通过仿真实验得到模糊星图复原前后的质心提取精度和定姿精度的对比数据。实验结果表明, 复原后的星图可以显著提高星图的质心提取精度和定姿精度, 可有效地提高星图识别的成功率。

航空遥感监测中变焦镜头的广泛应用以及飞行高度的变化会获得不同地面分辨率的航空影像, 因此为了实时监控到飞行区域的整体情况, 需要对不同地面分辨率的图像进行拼接。提出了针对不同地面分辨率图像进行拼接的方法。首先用四分法对图像进行分割, 检测变化倍率, 选择配准策略; 然后用基于加速鲁棒性特征 (Speeded-Up Robust Features, SURF) 的算法对相邻图像进行拼接。获得了焦距变化从高倍过渡到低倍, 或从低倍过渡到高倍的拼接图像。通过航空变焦模拟影像的拼接实验和地面变焦影像的拼接实验表明, 该方法能够对不同地面分辨率的图像进行拼接, 且拼接结果均以高分辨率为基准。

利用耦合模原理, 研究了倾斜光纤光栅的温度传感原理, 分析了基模及高阶模透射谱的温度特性, 仿真模拟了基模谐振波长和高阶模谐振波长的温度漂移特性, 研究了倾斜角度对谐振波长的影响。结果表明: 各个模式的谐振波长均随温度线性增长; 倾斜角度的增加, 中心波长不漂移, 透射带宽变窄。其结果对倾斜Bragg 光纤光栅的生产和应用具有一定的指导作用。

天幕灯是一款用于近距离照射大面积幕布的特殊灯具。为了在限定的区域内获得幕布的均匀照明, 天幕灯需实现非对称、大角度的特定出射光强分布。基于几何光学和辐照度理论, 首先建立满足幕布均匀照明要求的天幕灯配光曲线模型, 然后再根据LED光源的发光特性进行二次光学设计, 使LED天幕灯的出射光强分布与所需的配光曲线模型相匹配。根据能量守恒定律将配光曲线模型进行均匀离散化处理, 建立直射和反射的有效叠加和补偿, 依此设计得到反射面面型, 实现照明要求。通过Zemax对所设计的LED天幕灯进行模拟仿真, 结果表明, 满足配光曲线的LED天幕灯可以通过多个灯具的简单照明叠加实现在近距离范围内对不同大小和形状的幕布进行均匀照明, 其照明均匀度可达到85%以上, 能量利用率可达到80%以上。

利用连续激光z扫描技术研究了两种新型金属有机配合物非线性材料在457nm、488nm和514nm三个激发波长下的热光效应。结合实验曲线和理论公式计算了这两种配合物溶液的热光系数dn/dT和热致非线性折射率n2的值。通过对比研究发现, 材料的热致三阶非线性光学性质依赖于材料的分子结构和激发波长, Cu配合物的热光系数和热致非线性折射率的数值较大, 且受激发波长的变化影响很小, 而Pd配合物的热致非线性随激发波长的增大而减小, 这主要是由两种化合物分子结构的差异导致其吸收光谱分布不同决定的。

提出了一种使用三坐标测量机(CMM)测量底面为圆形、矩形、跑道形离轴非球面面形误差的方法。针对离轴非球面的外形特征设计工件坐标系, 规划工件坐标系定位点;利用CMM对离轴非球面进行点触发式自动测量, 得到被测面点云坐标数据; 建立离轴非球面数据处理模型, 得出了面形误差。模拟分析表明, 该测试方法和误差处理模型是正确的, 并用该检测技术完成了离轴非球面粗抛光阶段的加工。

在传统怀特池的基本原理上, 采用高斯光学分析方法推导出了多次反射怀特池的总光程和光斑分布的数学公式。分析表明: 连续奇数号光斑间距与连续偶数号光斑间距相等, 为两次镜曲率中心间距的2倍, 且交替排布; 当主镜上有N个光斑时, 怀特池总光程OP≈2(N+1)L, 其中L为怀特池的基长。根据分析所得结论, 对传统怀特池进行了改进, 使其能够在减小主镜口径的同时充分利用其有效口径和中间光程。结合设计实例, 将结构数据在CODE V上进行模拟和优化计算, 通过实际装调验证了所推得的数学公式和结论对指导设计多次反射池的正确性。

提出了一种在离轴数字全息再现过程中确定参考光角度和简化滤波器设计过程的方法。分析了模拟参考光照射下的离轴数字全息图的频谱特点。首先将数字全息图与计算机模拟的原参考光波相乘, 然后做傅里叶变换, 得到其频谱图。结果发现, 含有被记录物体信息的物光波频谱始终处在频谱面的中央位置。依据这一特点, 不仅可以实现模拟再现时最佳参考光的角度参数测定, 而且还可以使滤波器的结构设计过程简化。借助于滤波技术, 数字全息再现像中零级像和共轭像得到了有效的去除, 再现物体实像质量得到了有效的改善。

渐变折射率光学薄膜用途广泛, PECVD技术在制备渐变折射率光学薄膜方面具有独特的优点。通过控制不同反应气体配比变化, 分析了反应气体配比变化与所制备的薄膜折射率、消光系数和沉积速率之间的关系, 讨论了薄膜折射率、消光系数和沉积速率变化的原因, 研制了折射率可控的氟氧化硅(SiOxFy)、氮氧化硅(SiOxNy)、氮化硅(SixNy)等薄膜材料, 获取了折射率在1.33~2.06之间的光学薄膜材料。

土石坝在使用过程中由于受荷载的长期效应、材料老化和环境侵蚀等自然因素的影响, 大坝会受到损伤。为了有效地监测土石坝的健康状况和对其发生的结构损伤进行识别以及进一步对土石坝寿命进行预测, 建立完善的土石坝结构监测系统是十分必要的。依据物联网分层思想, 采用全光纤传输技术, 通过以FBG传感器作为检测单元实现对土石坝裂缝、渗压等重要数据的采集、监测和处理, 开发了基于光纤光栅传感网的土石坝监测系统。实际应用表明, 该系统可实时呈现土石坝运行状况的关键参数信息, 为工程除险加固和对大坝整体使用情况的了解起到了辅助作用。

当激光跟踪仪应用于多传感器三维视觉测量系统的全局标定时, 由于标定现场环境复杂, 靶标球镜面区域所成光斑随环境光强、视觉测量系统观察角度和激光投射角度的变化而改变, 给靶标球镜面中心的准确定位提出了很大的挑战。设计了一种对光照变化不敏感、对激光点形状和光强分布无要求的靶标球镜面中心定位方法。该方法首先利用图像分割法准确定位靶标球所在区域, 然后对该区域进行滤波, 去除图像中的噪声并增强靶标球与背景的对比度, 之后进行靶标球分割和强反光区域去除, 通过图像形态学处理得到靶标球镜面区域, 最后对该区域的像素坐标进行统计, 得到镜面中心定位坐标。实验采用79幅复杂多变的镜面区域光斑图像进行实验验证,该方法正确定位率可达到91.2%, 其中平均定位误差RMS低于0.74像素, 基本满足全局标定对靶标球镜面中心定位精度的要求。

介绍了聚合物分散液晶、剪切液晶、散射偏光片以及透明投影屏幕等概念。实验制备了剪切液晶散射偏光玻璃样品, 样品由两张玻璃夹层聚合物分散液晶膜在紫外光固化过程中施加剪切应力制成。实验给出了样品偏光显微镜照片和透光率以及雾度随透光轴与入射偏振光偏振方向夹角的变化曲线。剪切液晶散射偏光玻璃外观半透明, 存在透光轴。散射偏光玻璃与吸收偏光片组合具有调光窗功能, 与单片液晶投影机或单片硅上液晶投影机配套还能用作背投影成像效果十分清晰的透明投影屏幕。

光栅光阀(GLV)是一种衍射MOEMS空间光调制器, 利用其对激光束的调制作用, 可成功地应用于计算机直接制版(CTP)系统中。提出了简化的光栅光阀光学模型, 并根据夫琅和费单缝衍射理论和多光束干涉理论对光栅光阀的光学特性进行了理论分析。介绍了光栅光阀在热敏CTP系统中的应用, 分析了光栅光阀光学记录设备的结构和成像原理。得出了基于GLV技术的热敏CTP数字成像过程, 为国内印刷企业使用这种热敏成像技术提供了理论依据。

为了给出射流抛光系统的优化设计参数, 从理论上分析了冲击射流流场的结构特点, 建立了工件壁面上的速度、压强与冲击角度、射流出口速度以及冲击距离的数学关系。就不同参数对射流流场分布的影响进行了定量计算, 结果表明, 工件壁面上的压强和速度与出口压强和速度成线性正比关系。当冲击距离大于9.6d(d为射流喷口的直径)时, 工件壁面压强和速度随冲击距离的增大而减小, 冲击距离增加到15d时, 壁面压强最大值减小到0.54p0(p0为射流出口处的压强)。工件壁面压强和速度随冲击角度的减小而减小, 当入射角为90°、60°和45°时, 分别得到壁面压强最大值ps=0.95 p0, 0.74p0, 0.475p0, 上游速度最大值um02=0.96u0, 0.8u0, 0.67u0(u0为射流出口处的速度)。

提出了单色仪在光纤传感系统中的应用, 通过分析Ⅳ型凹面全息光栅的光程函数、像差校正原理和像差校正效果, 以光栅为分光元件, 设计了一种小型凹面光栅单色仪。单色仪使用自聚焦透镜作为入射狭缝和准直元件, PIN光电二极管作为接收元件, 使用步进电机带动凹面光栅旋转扫描光谱。LabVIEW程序控制数据采集卡的数字输出, 并显示采集到的光谱。单色仪结构简单、价格低廉, 通过实验实现了对单色光的检测。