扫描式的测量技术是目前微结构表面形貌测量的主流技术, 但需要高精度的机械扫描、较长的测量时间。针对其问题, 结合光场显微技术和傅里叶叠层显微技术, 提出了一种分辨率增强的三维重构技术, 通过在常规显微成像系统中加入光学编码元件, 使用单次曝光而获得被测工件的光学切片序列, 基于傅里叶叠层显微技术实现了对切片图像横向分辨率的增强, 克服了光场成像技术中的分辨率损失。实验证明, 提出的三维重构技术对于微结构表面加工过程的在线测量具有较好的应用前景。

激光衍射对刀是通过检测两个一级衍射条纹峰值点间距来进行对刀间隙测量的一种方法。为了提取有效的衍射条纹图像, 在激光衍射对刀过程中需将衍射系统光轴倾斜, 导致对刀间隙所形成的矩孔相对于系统光轴不垂直, 即矩孔倾斜, 矩孔倾斜会使得对刀间隙检测结果不准确。为了研究矩孔倾斜对激光衍射对刀精度的影响, 研究建立了含有矩孔倾斜角度的激光衍射光强模型和一级次极大峰值点间距误差计算模型,提出了基于一级次极大峰值点间距的误差校正方法和倾斜方向判别方法。在相同实验条件下, 所建立的理论模型为有效提高激光衍射对刀精度提供了依据。

为提高光栅光谱仪分辨力, 设计了基于球面反射物镜、工作波段范围500~800nm、焦长800mm的非对称式C-T型光栅光谱仪系统, 给出了在消像差条件下系统中元件参数和结构尺寸的计算方法, 运用光学设计软件Zemax对系统进行仿真分析与优化设计, 研制了光谱仪样机。设计和实验结果表明, 系统在工作光谱范围内的理论分辨力优于0.01nm、实际分辨力优于0.04nm, 满足光谱测量需求;整个光学系统具有结构简单、元件数量少、成本低、分辨力高、稳定性好等优点。

提出了一种使用三坐标测量机(CMM)对自由曲面光学元件表面待加工区域进行标记的方法。针对自由曲面光学元件外形特征设计工件坐标系, 规划工件坐标系定位点, 通过坐标变换将待加工区域的像素坐标转换为对应的自由曲面工件坐标系的标记点位置坐标, 将待加工区域的感兴趣点三维坐标导入CMM, 使用CMM对工件坐标系下标记点位置自动探测, 实现待加工区域的标记, 提高了检测效率也避免人为标记定位误差。

提出一种渐进环焦自由曲面镜片设计, 从周边离焦防控及光焦度渐变的角度出发构建一个多焦点镜片。在镜片的中心部位形成有一个圆形的中心定焦区, 在外周形成多个环形的周边定焦区, 镜片的光焦度沿着镜片子午线及镜片水平轴按设定的光焦度高阶多项式从内至外渐变;依据相邻定焦区边缘点切平面重合的原则, 由内至外依序计算各个定焦区后表面上所有点的矢高, 再根据所有定焦区后表面的所有点的矢高数据生成镜片后表面。与传统非球面镜片仿真结果对比, 表明渐进环焦自由曲面镜片光焦度和散光符合理论设计要求, 符合正常人眼在看物体时眼球的调节功能, 镜片边缘也较薄, 镜片的棱镜度也较小。设计为渐进多焦点自由曲面镜片提供了一种新的途径。

针对空心单模Bragg光纤在1.55μm附近表现出非常大的正色散, 研究了包层缺陷层对空心单模Bragg光纤色散的调节作用。利用光学软件FDTD Solutions对缺陷层空心单模Bragg光纤的模式耦合特性进行分析;对比分析普通空心单模Bragg光纤和缺陷层空心单模Bragg光纤的色散曲线;讨论了包层缺陷层结构参数对空心单模Bragg光纤的色散调节作用。

提出一种方案, 可改善Sagnac环微波光子滤波器的调谐特性。将高双折光子晶体光纤(HiBi-PCF)Sagnac环级联, 对其臂长误差进行定量分析。利用Jones矩阵对级联后的两种Sagnac环进行理论分析, 设定功率损耗阈值为8dB,分析级联后的Sagnac环臂长误差容限。通过改变臂长, 可实现滤波器带宽连续可调;所得滤波器的旁瓣不到0.4, 臂长误差容限可达到136nm, 带宽调谐可达0.1nm至0.02nm之间。得到的透射谱更加精确, 调谐简单、精确、应用灵活。

为了解决当前图像匹配算法主要通过图像的区域梯度信息来进行图像匹配, 当图像存在光照变化等干扰时, 将会使得匹配图像存在较多的错误匹配点以及匹配耗时较长等不足, 提出了基于点对称关系耦合距离约束的图像匹配方法。采用FAST算法对图像特征点进行准确、快速的检测, 利用拉普拉斯极值模型进一步剔除伪特征点, 以提高算法的匹配正确度;对特征点的对称性进行计算, 利用点对称关系构造点间距度量模型, 以求取特征描述符中的特征向量, 输出特征描述符;基于SURF特征点匹配机制, 对特征点完成双向匹配约束, 完成特征点匹配。对匹配特征点进行欧氏度量, 以度量结果的比值以及均值作为依据, 构造距离约束模型, 利用距离约束模型判别错误匹配点, 优化匹配结果。实验结果显示: 与当前图像匹配算法相比较, 所提算法不仅具有较高的匹配精度以及匹配效率, 而且具有较好的鲁棒性能。

人体动作的识别与理解是人机交互、机器人应用的关键技术之一, 为了提高人体各种复杂动作的识别精度与鲁棒性, 研究了基于复杂性度量与多尺度运动编码的动作识别技术。通过不同长度的滑动窗口对视频序列获取子序列;通过时间序列复杂性来度量人体运动轨迹, 设计了一种多尺度的滑动窗口, 从而选择出有效子序列;基于有效子序列, 引入k-均值聚类分析算法, 对人体运动进行编码, 获取运动编码直方图;引入条件随机场对动作分类学习, 完成动作识别与理解。所提出的算法在人机交互、智能家居、视频监控等领域具有较好的参考价值。

提出了多元频域变换与几何校正机制的彩色图像水印算法。对重力模型进行改进, 实现水印信息的加密, 利用四元变换处理处理载体图像的最大中心区域, 获取其相位与幅度信息;设计水印嵌入机制, 将水印信息植入到四元变换的幅度中, 借助逆变换, 输出水印图像;引入四元小波变换处理水印图像的训练样本, 获取其四元小波变换系数训练支持向量机, 完成水印图像实现准确的几何校正;利用四元变换, 建立水印提取机制, 复原水印图像。测试数据表明: 与当前图像水印方案相比, 所提算法能够准确校正几何失真图像, 具备更高的鲁棒性与抗盲检测能力。

布里渊光谱成像技术由于其非接触、高空间分辨力、三维成像的特性, 广泛应用于生物医学和材料化学领域。将共焦显微技术与光谱探测技术相结合, 研制了共焦布里渊光谱成像装置。对二氧化硅玻璃、硅胶和树脂玻璃进行单点光谱测试, 求得纵向弹性模量M分别为83.4GPa、1.21GPa和9.48GPa;对折射率相近的二氧化硅玻璃和树脂玻璃粘接区域进行二维布里渊频移成像, 从光谱图像中很容易区分和鉴别两种材料, 解决了折射率相近的材料在光强图上难以区分的难题。

振动测量是现代制造业发展的关键技术之一, 在**、工业、农业等方面具有重要的应用意义。为了实现大视场、高效率的非接触式测量, 基于双目视觉原理设计了一种多点三维振动测量系统。在待测物体表面粘贴多个标志点, 对左右相机图像上的标志点进行多点同步准确匹配计算得到其空间三维坐标, 实现三维测振。选取五个标志点进行实验, 结果表明, 测量误差最大为91μm/m, 可满足大多数振动测量的要求。

提出了基于像素动态更新与差异扩散的图像加密算法。引入Lucas与Fibonacci序列, 充分利用二者的更新特点, 基于二维映射, 设计像素动态更新机制, 在每一轮像素混淆过程中, 利用不同的随机序列完成像素位置置乱, 避免了置乱周期性;依据人眼视觉特性, 建立像素重要等级模型, 明文像素分类为视觉像素与次级像素;利用明文像素生成映射的初值, 通过建立序列量化机制, 获取一组密钥流;根据密钥流, 设计两个像素扩散函数, 对视觉像素与次级像素进行差异扩散, 以输出密文。测试数据显示: 与当前图像加密机制相比, 所提算法具有更高的安全性, 输出密文像素分布更加均匀。

提出一种低秩稀疏成分分解和显著性相结合的医学图像融合方法。所提方法假设待融合源图像由低秩成分和稀疏成分构成, 设计了低秩与稀疏成分分解模型, 通过不同的字典对不同成分进行了稀疏表达。在融合过程中采用一种“绝对值”取大的策略对低秩成分融合, 以保留源图像的亮度信息;对于稀疏成分, 提出一种基于视觉显著性度量的方法来保留显著性特征。实验结果表明,本文方法无论从主观视觉还是客观评价指标上都优于最新的方法。

提出了一种基于分层级各向异性滤波的图像景深渲染算法。基于光学薄透镜的景深成像模型, 分析得到了更为准确的景深弥散圈光强分布模型。对于输入的深度图, 构建了深度图金字塔, 修复了其中的不连续区域, 结合弥散斑分布模型, 确定了场景中各点的模糊半径参数。根据深度信息对深度图进行分层渲染, 每层的滤波核半径与弥散圈半径一致, 最终采用分离式的各向异性高斯滤波快速得到渲染结果。与典型的景深渲染算法进行了对比, 实验结果表明, 所提出的算法具有较高的运行效率, 图像渲染结果更接近真实景深效果。算法图像景深渲染视觉质量表现优异, 具有较好的适用范围和算法稳定性。

利用石英倾斜仪CCD驱动器、高精度电动位移台和光路系统搭建测试平台, 对线阵CCD亚像素细分定位中的一种灰度加权重心法进行实验测试。通过噪声漂移实验和分辨力测试实验, 验证了灰度加权重心法能够有效抑制噪声干扰, 提高CCD像点定位分辨力, 实现线阵CCD亚像素细分定位。实验结果, 倾斜仪CCD驱动器采用加权重心法将像点定位分辨力提高至了1/3像素。

针对目前高动态范围(HDR)成像算法难以应对动态场景的局限性, 提出了一种有效抑制运动鬼影的HDR图像融合算法。算法根据整体图像质量, 从图像序列中选择参考图像;从像素曝光质量、细节丰富程度及与参考图像之间的局部相似性三个角度对图像内容进行评价, 根据评价结果确定融合权重;采用拉普拉斯金字塔图像融合算法进行图像融合, 得到HDR图像。采用图像熵与结构相似性(SSIM)相结合的评价标准对算法进行评价, 实验结果表明, 处理结果的平均SSIM达到0.952, 证明算法对运动鬼影具有显著的抑制效果。

设计了基于可逆Walsh-Hadamard变换与预测误差扩展的图像水印算法。将载体图像分割为4×４的非重叠子块, 引入Walsh-Hadamard变换, 对每个子块进行处理, 得到其域Hadamard, 提取其直流分量与交流分量系数;基于Adaline神经网络, 确定一个准确的预测系数, 构建线性预测函数, 计算每个交流系数的误差;对交流系数误差完成二进制表示, 根据水印信息对误差进行扩展;考虑像素的溢出或下溢问题, 从所有子块中指定一个平滑扩展块, 通过设计水印嵌入方法, 将水印信息嵌入到扩展块中, 再借助Walsh-Hadamard逆变换, 输出水印图像;构建水印提取机制, 从水印图像中提取初始水印信息。实验结果显示: 与当前水印图像相比, 所提算法具有更高的不可感知性与更低的失真度。

使用AFORS-HET软件模拟研究HIT太阳电池能带结构, 讨论了发射区p型反转层的形成及影响因素, 及其对电池性能的影响。结果表明: 在n型单晶硅内, 与p型非晶硅异质结界面处, 形成p型反转层;p-Si∶H的掺杂浓度可调节费米能级位置, 进而影响反转层的形成。HIT电池类似于p-n同质结电池, p型反转层作为太阳电池发射层, 对太阳电池的性能起决定性作用。

为了提高频域OCT成像系统的性能, 提出一种复谱频域OCT成像方法。给出了系统结构及核心模块设计, 从理论上论证了系统的设计原理。提出一种复振幅干涉光谱重构算法, 并对该重构算法进行了理论分析。总结了该复谱频域OCT成像方法的实施步骤。利用复谱频域OCT的成像方法, 进行了仿真试验。理论分析和仿真试验结果表明, 利用该复谱频域OCT成像方法, 无须使用参考相位移动或调制装置, 所生成的被测样品OCT层析图, 清除了复共轭镜像和寄生像的影响, 能够反映被测样品的真实结构。

海洋浮游生物原位探测系统对海洋生态研究具有重要意义。研究了一种适合长期在水下观察浮游生物的原位探测系统。系统基于同轴数字全息光路设计, 加入显微放大模块, 使用中心波长525nm的LED光源, 有效降低了激光散斑噪声的同时, 使显微成像的景深达到厘米量级。通过测试得到CCD位置与系统景深的变化关系直方图, 选择合适的光阑直径和CCD位置对标准分辨率板usaf1951和水槽中的浮游生物进行了全息记录和再现;对系统分辨率进行评估, 充分论证LED同轴数字全息显微在海洋浮游生物原位探测中的可行性。