探究在基于曲率变化的非球面镜片设计过程中, 镜片中心到边缘的光焦度变化多项式和加光度大小对镜片光学性能的影响。分别利用四阶、六阶和八阶多项式实现非球面镜片从中心到边缘的光焦度变化, 采用不同加光度对光焦度进行设计,对同种中心光度下不同多项式和不同加光度设计的非球面镜片进行仿真, 分析其光焦度和散光分布图。仿真结果表明, 不同的多项式阶数和加光度值对非球镜片的光焦度和周边像散分布有一定的影响；对比发现, 对于不同光焦度的近视镜片采用合适的加光度并按照六阶多项式设计非球面镜片时, 镜片的光学性能较好, 且相对球面和Q-type非球面镜片, 镜片的边缘厚度也实现得到了一定的减薄。

数字聚合酶链式反应（dPCR）技术在生物医疗领域具有非常重要的应用价值, 为了进一步投入临床诊断和病原体检测中需要在光学检测系统的检测效率和准确性方面取得进展。针对dPCR检测需求, 使用ZEMAX软件设计了无限远消色差荧光精缩物镜。镜头物方数值孔径为0.1, 整体放大倍率为-0.65倍, 可对Φ为34.9mm的物体进行成像, 物方工作距离105.3mm, 像方传递函数在70lp/mm处高于0.73, 相对畸变小于0.4%;镜头设计可以同时满足大视场高分辨率的荧光多通道探测要求;基于无限远荧光显微成像技术, 镜头可一次性检测位于28mm×18mm基因芯片上2万个反应通道, 克服现有设备拼接成像的弊端并提高检测效率。

紫外荧光法是指SO2分子在特定波长的紫外光照射下会产生荧光, 通过检测荧光的强度就可以间接得到SO2的浓度。但大气中SO2浓度较低, 荧光信号较弱, 这就导致检测困难, 在一定程度上限制了紫外荧光法的发展。针对这个问题, 设计了用于采集荧光的光路。光路分别采用抛物面反射镜与菲涅尔透镜实现对不同发散角的荧光的准直, 之后利用两个平凸透镜对平行光进行缩束, 并使用两个平凸透镜汇聚荧光。采用射线追踪算法作为严格矢量分析的工具, 对设计的光路进行仿真分析并与传统的荧光采集光路进行采集效果的对比, 仿真结果表明该设计的光路采集荧光的效率要高于传统结构。

针对目前实时定量PCR荧光检测仪系统中存在的检测效率低、体积大等问题, 提出了一种基于传统单通道共聚焦型光路改善组件的方法, 使激发光路和荧光收集光路共用一个大孔径透镜, 并在该透镜的下方围绕多个激发光准直光路, 同时在荧光收集光路中添加多个二向色镜, 实现多通道荧光的同时检测。运用Code V软件设计出准直透镜和聚焦镜, 将透镜数据导入到Lighttools软件中进行仿真模拟, 结果表明, 光学系统解决了现有实时定量PCR荧光检测仪中存在的问题, 检测效率是原系统的2倍以上, 体积比传统单通道集成的结构小2倍以上。

针对现有共焦显微镜中定焦速度慢和定焦精度差的问题, 提出了基于单步驱动的激光共焦显微镜快速定焦方法。充分利用轴向扫描器件的响应时间通过单步驱动获取数据, 大幅提高采集速度, 提高系统信噪比；通过拟合区间优化和分开拟合的数据处理方法来快速、准确获取定焦目标位置, 进而实现激光共焦显微镜轴向定焦效率的提升。理论分析与实验结果表明: 与现有定焦方法相比, 方法在粗定焦阶段使定焦速度提升5.64倍, 在准确定焦阶段使定焦速度提升3.08倍, 其有效提升了现有共焦显微镜的轴向定焦速度和精度。

为解决棱镜等效展开为玻璃平板后因腔长固定导致的移相困难问题, 提出一种变倾角移相测量反射棱镜光学平行差的方法。通过改变光束在反射棱镜入射端面上的倾角在干涉图中引入移相量, 实现干涉图中的相位提取。采用最小二乘法拟合相位计算反射棱镜的光学平行差。在实验中, 测试了一块弦长为56.5mm的等腰直角棱镜, 得到直角偏差Δ90°为-2.1435″、锐角偏差δ45°为-4.6216″、直角边对应棱差γC为0.3554″, 而Zygo GPI干涉仪仅可得到棱镜直角偏差, 与本文方法的测量值偏差在0.15″以内。所提方法移相光路设计简便, 并可实现小尺寸反射棱镜的测量。

国际单位制中温度基本单位“开尔文”的重新定义致使温度测量逐步实现国际协议温度标准与热力学温度标准的融合。基于铯133原子直接吸收光谱的多普勒展宽测温可实现芯片尺度室温范围的热力学温度测量, 但其拟合残差及不确定度受限于测量激光的功率稳定性, 针对此问题, 提出在外腔扫描式激光器的频率稳定基础上, 利用声光调制器以及高速比例-积分控制器构建闭环功率稳定系统, 提升并评价了测量激光光束的功率稳定性。实验证明测量光束在10mW微弱功率条件下相对噪声强度达到-126dB/Hz,30min内功率稳定性达到0.008%。上述激光功率稳定性有效减小了拟合残差以及不确定度, 为实现芯片尺度、在线免标定的热力学温度传感奠定基础。

小麦是人类主要食物来源之一, 广泛分布于世界各地。赤霉病是小麦的主要病害, 目前赤霉病的检测技术无法实现小麦快速、无损的在线检测。为了研究短波红外成像光谱技术应用于小麦赤霉病检测的可行性, 基于LabVIEW开发专用于样品检测的数据采集系统, 利用短波红外光谱仪获取样本光谱图像并进行数据分析与处理。实验数据表明: 赤霉病小麦种子与健康小麦种子的短波红外光谱图像在1350~1600nm光谱范围内谱线数据特征差异明显, 证明短波红外成像光谱技术应用于小麦赤霉病的检测具有一定的推广应用性。

基于点光源照度函数测距原理, 提出了一种利用相对照度测距圆重叠区重心估计的定位方法。通过探测器与光源投影点的照度比来测量探测器与光源投影点之间的距离, 并建立以投影点为圆心的测距圆方程;将三测距圆的公共重叠区域的重心作为探测器位置的估计值, 求出该公共重叠区域重心位置即可实现定位;实验中以LED模拟点光源, 采用所提出的方法, 定位误差约为3.51cm。实验验证了本方法可实现快速、精确地室内定位。

为了提高微弱荧光信号的探测能力, 获取高分辨光谱信息, 通过2套32通道光电倍增管（PMT）阵列, 结合激光诱导荧光技术, 搭建了64通道荧光光谱数据采集系统, 并使用LabVIEW对数据采集系统进行软件控制, 实现光谱数据的高速采集与处理。实验结果表明该采集系统光谱分辨率为4.69nm, 能够对微流控芯片内通过的单粒子样品溶液进行荧光光谱采集, 实现计数功能。

为了提高分光光度法在快速定量分析中的准确性, 从润湿效应形成的机理及分光光度法的检测光路出发,提出了分析影响样本吸光度测量的一种研究方法。从理论上研究润湿效应下弯曲液面曲率对样本吸光度测量的影响；根据弯曲液面对测量的影响使用ZEMAX软件对检测光路进行重新设计；通过测量细菌悬液的吸光度, 并根据测量的吸光度对细菌生长进行曲线拟合来对设计的检测光路进行实验验证。结果表明, 润湿效应对分光光度法在快速定量检测时有着不可忽视的影响, 且随着浓度的增加其影响就越大。

目前大气透射仪存在发射端和接收端安装调校困难的问题, 并且在工作过程中, 发射端和接收端一旦发生偏移, 光轴不处于一条直线, 将大大影响能见度测量结果。针对这些问题, 提出将近景摄影测量技术应用到大气透射仪的对准系统中, 采用圆形作为人工标志物, 通过图像处理及椭圆最小二乘拟合算法, 计算人工标志物的圆心坐标, 根据标志物的圆心坐标与摄像机镜头的中心坐标的位置关系, 将发射端和接收端的摄像机镜头的中心通过旋转结构拉倒图像中心；由于摄像机与光轴是同轴设计, 所以摄像机镜头对准就是实现了光轴的对准。实验证明, 利用近景摄影测量技术能够实现大气透射仪快速准确对准, 并且能够实时监控保证光轴始终保持一条直线。

基于表面等离子体共振效应, 设计一种锥形光纤探针折射率传感器。通过锥形结构理论模型与SPR共振模型, 利用MATLAB与FDTD Solutions软件进行理论计算与模拟仿真, 分析锥形光纤锥度比、传感区长度和银膜厚度对传感器发生共振时的共振深度的影响。通过对比所镀膜层的结构与厚度, 从灵敏度与品质因素角度对传感器性能进行优化。结果表明随着锥形光纤锥度比增大, 共振深度出现极值；传感区长度越长, 共振深度越深；银膜在50 nm处传感器性能较优, 银/二氧化钛复合膜结构的传感器灵敏度与品质因素高于单层膜结构传感器。

研制了一种探针型的萨格纳克型光纤振动传感器, 利用贝塞尔函数递推公式推导了振幅的测量算法。传感器使用980nm激光通过掺饵光纤泵浦出的1550nm的宽光谱光源, 利用振动源在光纤环中产生的非互易相位调制, 在输出端获得干涉信号。利用传感器对频率为8.1kHz到11.3kHz的振源进行了测量, 实验数据与仿真分析一致, 频率测量误差不超过0.6%, 振幅测量数据的离散程度较小。

空气质量问题已经成为目前最为关注的社会热点问题之一, 米散射激光雷达由于具有时间和空间分辨能力而被广泛应用于该问题的研究。针对国内首台自行研制的355nm激发波长的荧光-米偏振激光雷达系统完成了定标, 以有效提高气溶胶反演精度。定标包括对米偏振通道以及荧光通道和米通道的标定。用半波片法和分光片法设计了多组定标实验, 得到了对应的通道相关系数,消除了系统各通道之间的偏差。定标结果表明米偏振通道的相关系数平均值为1.01, 标准差不超过0.13, 荧光和米通道相关系数平均值为1.13, 标准差不超过0.04。

定位建图是智能车自动导航的关键问题之一。以未知环境为研究背景, 研究基于二维激光雷达的定位建图系统。激光雷达扫描周边环境建图, 里程计和IMU完成航位推算提供位姿, 通过滤波匹配不断更新地图构建全局地图。为实现精确实时的定位建图, 分析了飞行时间法激光雷达测距误差和基于IMU和里程计的航位推算误差, 通过线性最小二乘和加权移动平均滤波对激光雷达原始数据进行标定和滤波;通过互补滤波抑制陀螺仪低频噪声和磁力计高频噪声;在所搭建的基于激光雷达的定位建图系统上进行了实验。实验结果表明, 经过滤波校正后, 提高了系统定位建图精度和稳定性。

介绍了相干激光测风雷达系统中用转盘进行速度标定的方法, 在实验室搭建了激光雷达速度标定装置。采用1.645μm种子注入单频脉冲激光器, 在激光中心频率相对种子光移频量约62MHz、转盘直径300mm、转盘速度-47.12~47.12m/s可调、激光出射方向和转盘线速度方向夹角为36°时, 采用相干探测的方法测出了多普勒频移并反演出了测量速度；数据处理过程中分别采用最大值频谱估计法和频谱对齐法计算多普勒频移和转盘速度。实验结果显示, 频谱对齐法相对于最大值频谱估计法能够提高36.3%的测速精度, 因此在激光雷达测风系统中采用频谱对齐法相对于常用的最大值频谱估计法测量的风速精度更高, 这对提高相干激光雷达测风的风速精度提供了实验依据和参考标准, 验证了频谱对齐法在激光雷达测风的数据处理中的可行性。

多孔径激光阵列相干合束是获得高功率、高亮度激光束的有效方法。为了设计更有效的多孔径激光阵列相干合成系统, 主要分析了三光束“品”字形、七光束六角形、十九光束大六角等工程应用中的典型激光阵列排布模式对合成功率的影响, 并基于MATLAB模拟了不同阵列排布情况下的激光相干合成情况, 讨论光束排列的位置误差、发射光束光轴角度偏移误差以及各个相干合成阵列激光器之间的活塞相位误差对合成效率的影响。结果表明, 不同的激光阵排布在观察位置处的光强分布差别很大；各光束之间的角度偏差越小, 初始相位差越小, 相干合成的效率越高。这些结果将对于指导设计多孔径激光阵列相干合成系统有重要意义。

太赫兹光场成像是一种太赫兹波段内的计算成像手段。在太赫兹相机扫描成像的基础上进行了图像预处理和光场计算。针对太赫兹相机受器件性能限制导致输出图像存在噪声大、分辨率低和视场小等问题, 对基于相机扫描的太赫兹光场成像进行了预处理, 通过控制二维平移台, 采集到一系列存在特定视角差别的目标图像；采取高通滤波方式对图像进行处理, 得到噪声小、锐化程度好的图像；在不降低图像分辨率的基础上利用Harris特征图像拼接算法计算得到较大视场的图像。通过上述方法, 有效地提高了光场成像质量, 为实现太赫兹光场成像三维重构奠定了基础。

针对观看自由立体显示器存在人眼焦点调节和集合不一致的根本生理问题, 及观看时间稍长将引起立体观看视疲劳, 甚至危害视觉健康的问题。提出了一种对自由立体显示器视疲劳程度进行预测的方法, 由三个不同的立体观看视疲劳参数--视差值、视频帧率和串扰度组合得到27段立体测试视频, 让观看者观看这些视频得到主观评价数据, 采用多元线性回归的统计方法处理评价数据确定了自由立体显示器视疲劳的多元线性回归模型, 并根据此模型对待评估立体视频的视疲劳程度进行有效预测。这种方法避免了反复的主客观评价对视觉系统的危害, 减少主客观评价信息收集的复杂性。最重要的是, 该模型能快速预测自由立体显示器视疲劳程度。

将增强现实技术应用于**仿真训练系统已经成为**仿真领域的主流研究方向, 针对该**需求, 介绍了一种基于增强现实技术的动态、实时的**仿真系统。系统将普通单目相机拍摄真实场景的视频流作为战场环境, 并将虚拟**兵力、作战车辆渲染在真实场景中, 还原了逼真的**环境；采用改进的融合IMU的半稠密SLAM算法, 实现动态、实时、尺度统一的跟踪定位, 提出了一种基于离线地图的初始定位方法, 解决了跟踪初始定位的问题。系统初步实验显示, 能够还原逼真的**战场环境, 改进后的跟踪算法在初始定位方面表现优异, 跟踪的精度、鲁棒性与实时性效果良好, 重建的地图模型可以用于虚拟**物体与战场环境的碰撞、遮挡等交互。

青光眼是不可逆性视力损害的主要原因, 对前房角进行分类可以方便医生诊断。提出了基于Spaeth分级法的房角分类算法。在超声生物显微镜图像中, 利用边界搜索的方法确定房角粗定位点, 并在灰度图像中完成房角细定位。计算出分类所需的各项参数, 最后基于Spaeth分级法将前房角分为开、闭、窄三类。所提方法与现有方法相比具有两个主要特征: 第一, 自动完成房角顶点的定位, 且对于不同类型的房角结构都有效。第二, 解决房角多分类问题, 分类依据与临床分级方法相似。实验表明, 方法具有较高的准确性和效率, 具有较大的实用性和应用参考价值。

在研究基于硅基二氧化钛纳米柱对空间光场位相调制特性的基础上, 结合菲涅尔衍射理论, 提出了一种基于共轭梯度优化算法的超构表面设计方法。通过该方法, 在可见光波段能够实现在任意衍射角度上对选取的波长进行滤波。衍射角分别为15°和30°, 波长范围在400～780nm, 对RGB三色光波进行单波长滤波。数值模拟结果验证表明, 所提算法得到的超构表面能在预定的衍射角下准确地产生目标强度谱。