针对某700mm口径高分辨率光学成像望远镜, 提出了一种结构设计方案。对主镜支撑采用9点whiffle-tree底支撑加球头芯轴侧支撑的结构方案, 保证主镜具有高面形精度; 望远镜镜筒采用碳纤维桁架式结构, 既满足望远镜整体重量较轻, 又可以保证系统刚度;建立了望远镜有限元模型, 分析主镜支撑面形、主次镜相对偏心及系统整体模态特性, 其中主镜支撑面形精度可达到λ/40,主、次偏心为0.015mm(水平状态)、0.008mm(竖直状态);使用激光干涉仪及平行光管对望远镜光学指标进行定量检测, 光学系统RMS可达到λ/14, 鉴别率板检测望远镜分辨率可达到46lp/mm, 均接近光学极限水平。为同类望远镜的结构设计提供一定参考价值。

为了在室内检测光电测试设备在某种工况下的瞄准线稳定精度、稳定器稳定精度等指标, 需通过平行光管来提供无穷远目标。设计指标要求为: 采用透射式结构, 工作波段400~700nm, D=350mm, 焦距为2.8m, 视场角为3.5°, 全视场内实现复消色差。设计采用柯克三片分离式透镜作为初始结构形式, 根据宽光谱复消色差理论, 选取玻璃材料, 利用校正光学系统色差与二级光谱的条件计算各片透镜的光焦度, 求解光学系统初始结构; 根据大口径宽光谱平行光管像差要求, 引入色球差参数以及消二级光谱参数进行优化, 通过玻璃材料匹配, 实现复消色差。设计结果: 在不引入非球面的情况下, 系统接近理论衍射极限, 全视场波像差RMS值均优于λ/22, 全视场内实现了复消色差, 满足设计指标要求。

小型化的光谱探测设备有低载荷、低成本、高集成度等诸多应用优势。而滤光/分光模块是光谱探测设备的核心组件。本文利用亚波长金属孔阵模型设计出一种有别于传统滤光片的滤光组件, 将对应的近红外波长的光进行选择性透过。一直以来基于超透射现象的亚波长金属孔阵滤光膜因上下介质的介电常数不同而产生两个强透射峰, 难以实现单通道滤光, 针对此缺陷设计了两层对称介质的双层玻璃透射形结构, 在近红外波段成功实现了单波长透射的特性。通过时域有限差分法进行仿真运算, 成功实现了1.25μm、1.40μm、1.55μm、1.70μm, 透射率约45(±3)%四种窄带透射, 半波峰宽度50nm的结果。并总结出结构参数的相应设计公式, 在1~2μm波长近红外区可以实现任一波长的滤光调制, 且透射率与频宽可调。

针对传统光学元件增透的方法中存在物理、化学性质的限制而导致热失配、稳定性不足等问题, 提出了对光学表面直接加工圆球和圆锥形两种微纳结构的增透方式; 构建了两种微结构模型并以0.38~0.9μm的入射光在不同入射角的条件下对二者进行数值仿真; 分析了两种模型随波长与入射角变化的反射率、透射率和电场的变化情况, 并对两种实验元件进行实验测试; 结合两种微纳结构的仿真和实验数据结果进行对比, 获得了两种微纳结构对光透射性能的影响情况。结果表明: 入射光波长由小增大时, 光学元件透射率增大, 并随着波长继续增大透射率逐渐趋于稳定。可为表面微纳结构对光透射性能的影响研究, 以及对微纳光学器件的优化设计、制造提供参考。

针对目前吸收器存在的吸收光谱过窄的技术问题, 提出了一种由金属与非金属组成的具有金属-绝缘体-金属(MIM)结构的超材料吸收器模型, 并模拟分析其辐射特性, 计算总体吸收性能。针对给定的波长范围, 通过对超材料吸收器的结构参数的改变, 对比分析了周期、宽度、金属层厚度和介电层厚度对吸收器辐射特性的影响。结果表明, 介电层厚度对吸收率的影响最为明显。研究了不同结构参数微结构的堆叠对多层超材料吸收器吸收峰的影响, 结果显示可以通过叠加获得更高的吸收峰值, 提升吸收器的总体吸收效率, 在可见光到红外光间形成一个宽谱吸收。

为了提高GMM-FBG电流传感器的电流响应灵敏度, 设计了一种新型杠杆式GMM-FBG光纤电流传感器。应用杠杆原理, 使布拉格光纤光栅受力增大, 从而提高GMM-FBG电流传感器的灵敏度。构建了传感器的理论模型, 对传感器性能进行了分析; 采用COMSOL有限元数值分析法, 建立了传感器三维模型, 针对传感器的关键参数进行仿真优化。仿真结果表明, 当设计传感器中GMM是半径为1mm, 高度为26mm的圆柱, 不锈钢条的尺寸为32mm×1.4mm×2mm时, 在0~100A输入电流范围内, 线性度为0.999, 灵敏度0.0406nm/A; 当FBG解调仪的分辨率为1.64pm时, 传感器最小可测的电流为0.04 A。

航空发动机作为飞机上的核心动力装置, 对其运行状态的监测, 可以提高飞机的安全性与经济性。航空发动机尾喷温度场蕴含着燃烧室内部燃料燃烧程度等有效信息, 对其温度场的监测可实现对发动机运行状态的评估。传统的温度场测量方法一般采用单点温度计测量法、激光诱导荧光法(LIF)、可调谐半导体激光法(TDLAS)等, 单点温度计测量法测量数据较离散、LIF设备应用复杂、TDLAS仪器设备价格昂贵。因此针对传统测量方法所存在的问题, 提出了纹影测量法。首先需要纹影系统对温度场进行纹影成像, 得到正确的纹影图像; 根据纹影图像求得截面的折射率分布; 根据折射率分布算得温度场分布, 实现对温度场的测量。纹影测量法是一种非接触、高精度的测量方法, 且无需特殊的激光收发装置。实验证明该方法可有效地应用于实验室微型涡喷发动机尾喷区域温度场的测量, 可进一步为航空发动机的状态监测提供支持。

吸收式激光雷达在大气环境探测领域中发挥着重要作用, 其数据的准确性、复现性以及不同系统测量结果的可比性都直接影响到系统测量数据对环境治理工作的价值。基于气体分子对光波的差分吸收原理, 设计了一体化吸收式激光雷达校准系统, 采用与多种不同标准浓度气体对比的方法实现对雷达系统的精确校准。通过对雷达校准系统的核心部件--多程反射腔进行了仿真模拟, 确定了系统中反射腔镜片的相关参数。最后利用甲烷气体对这一标定系统进行了测试。实验表明, 该校准系统可以在一个大气压内实现对激光雷达的快速校准。

在高反光物体的表面形貌视觉测量过程中, 物体的镜面反射特性会导致获取的图像部分区域过曝而产生错误的计算结果。为解决这一问题, 首先对自适应条纹算法进行改进优化, 以减少使用面结构光测量过程中的投影次数, 提高运算速度; 然后对最大投影亮度进行调整, 并在此基础之上实现了一种测量高反光物体形貌的双目面结构光算法。实验结果表明, 该算法可以有效减轻所述对象表面的过曝程度, 减少高反光物体表面测量的噪点和无效点, 提高测量数据的质量。

在临床使用条件下, 为提高内窥镜相对畸变率检测的准确性和效率, 提出一种基于定位图像质心的相对畸变率自动检测方法。该方法对内窥镜拍摄的标准板图像进行灰度和二值化处理, 结合Canny算子和三次样条插值法检测标准板上图形的亚像素边缘坐标, 定位图像质心, 确定过质心的最长和最短径向尺寸, 从而计算相对畸变率。使用经溯源的标准板对此方法进行了验证, 对3套临床在用内窥镜分别使用质心法、椭圆拟合法和人工测量法进行检测, 结果显示, 质心法和椭圆拟合法这2种图像处理方法的测量结果一致性较高, 并且检测结果的准确度高于人工测量方法。

设计了一种基于鱼眼镜头的高效率光纤阵列耦合系统, 并将其应用于多点光子多普勒测速仪, 可以在爆轰物理、冲击波物理和强激光等众多领域中开展多点测速。为满足大范围的空间光进行聚焦, 设计了一款视场角为120°的大视场高分辨率低畸变的鱼眼镜头, 再将光纤端面整体抛光8°角度进行阵列排布后与鱼眼镜头耦合, 通过采用高精度机械零件及定心装调进行准确定位, 使光纤阵列的中心与鱼眼镜头焦面重合, 实现鱼眼镜头与光纤阵列的精密机械耦合。最后对所涉及的光纤机械耦合型鱼眼镜头组件的回波损耗进行了实际测量和讨论, 经过验证该组件的37根光纤束每根的回波损耗大于55dB, 符合设计指标要求。

波前编码系统由于其离焦不敏感和像差抑制特性被广泛应用于光学系统中来延拓景深。景深的拓展是以牺牲图像像质为代价, 通过数字复原方法获得正常水平的图像质量。通过对比分析两种复原方式, 一种是焦点处的点扩散函数复原全部离焦位置的模糊图像, 另一种是点扩散函数分别复原对应离焦位置的模糊图像, 通过仿真模拟和显微实验成像对比分析得知点扩散函数复原对应离焦位置的模糊图像的复原方式可以有效削减振铃效应。该复原方式可以减弱图像二次模糊, 复原结果更适合人眼观察。

针对尖轨相对于基本轨位置的轮廓检测问题, 提出了利用线结构光辅助机器视觉的非接触式测量方法进行检测。在线结构光测量的基础上, 建立了尖轨轮廓的三维检测模型, 构造了测量尖轨与基本轨间的面差、间隙以及轨头宽度的数学模型, 并采用Zhang-Suen与灰度重心法的融合算法对激光条纹进行提取和细化, 最终得到了亚像素级的激光条纹中心线。本次实验在时速250km/h的18号道岔直线尖轨上进行测量, 得到的数据与接触式测量的数据基本一致, 验证了该方法的有效性和正确性, 实现了对尖轨轮廓尺寸的非接触式检测。

光强传输方程相位测量系统常使用激光作为光源或者借助商业显微镜搭建, 存在成像质量受相干噪声影响、系统体积大及成本高等问题。为解决以上问题, 提出一种基于LED照明的光强传输方程定量相位测量系统。使用LED照明, 避免了激光散斑噪声的影响。在显微成像模块中, 利用移动导轨调节并标定透镜位置, 使得切换不同倍率显微物镜时均能与透镜构成4f成像系统, 满足不同物体的测量需求。实验结果表明, 所提系统可准确实现定量相位测量, 具有系统紧凑、成本低、操作性强等优点。

在光学系统装调中, 由于光学元件的面型误差、加工误差等影响因素的存在, 使待装调的光学系统的装调失调量并非为一个确定的准值, 而是一个范围值, 在失调量范围内, 可能存在不止一组Zernike系数符合要求, 即以像差值为判据的装调结果的解不唯一, 需要对光学系统的其他参数进行测试判断光学系统在装调阶段是否满足技术要求。介绍了一种在装调过程中, 当各项像差的Zernike系数接近设计时, 利用干涉仪、分划板、五棱镜、经纬仪等设备, 在波前测试光路中采用猫眼效应进行装调过程中的光学系统焦距的测试方法, 通过光学系统的波像差和焦距值两种测试结果判断装调工作是否符合要求。经过实际装调过程中的应用验证了该方法的有效性, 在光学系统的装调过程中将焦距值控制在±0.5%以内。

阐述了一种激光二极管叠阵以zigzag方式侧面泵浦多边形Nd∶YAG薄片放大器的模拟研究, 建模对Nd∶YAG晶体内泵浦光的吸收情况进行了深入的数值模拟与分析, 研究了晶体的Nd3+掺杂浓度对泵浦光分布均匀性的影响。研究表明, 采用多个方向泵浦和zigzag泵浦方式易于实现介质内泵浦光的均匀分布, 在晶体的Nd3+离子掺杂浓度为0.25at.%时, 仿真得到的泵浦光吸收分布为平顶型, 分布的均匀性均为0.0505。对侧面泵浦多边形薄片激光放大器的进一步研究提供了参考。

图像去雾是计算机视觉的重要研究方向之一。传统图像去雾算法存在去雾不彻底、去雾图像对比度低、halo效应、色彩失真等问题。针对上述问题, 提出了一种改进的非局部先验的图像去雾算法。该算法使用基于中智学的模糊C均值聚类算法和一种混合暗通道先验的透射率优化方法, 改进了传统非局部先验的图像去雾算法在大气光估计、雾线定位和透射率优化过程中存在的问题。结果表明, 与几种常用的图像去雾算法相比, 提出的算法在去雾图像的大气光估计、客观分析和主观分析等方面均有一定的优势。

植物群落结构的改变是草原退化的主要特征之一, 草原草种类识别与分类是基于遥感的草原退化评价与研究的基础。荒漠化草原物种混杂度高且植被低矮, 遥感识别与分类难度较大。本研究以内蒙古荒漠草原建群种和退化指示种为研究对象, 在实地采集高光谱数据,通过单因素定量实验法对光谱数据进行特征提取。并基于深度学习的方法, 采用了VGG-16卷积神经网络法对上述草种进行识别分类。研究结果表明本方法得到的草原草种类识别模型表现较优, 平均识别率达到97%, 实现了在自然条件下对多种草原草种类的准确识别, 为基于高光谱低空遥感的天然草原退化监测与研究奠定了基础。

润湿性与固体材料表面的微观几何结构和表面化学组成密切相关, 是固体材料表面的一个重要特性体现。文章用实验和仿真的方式研究了双面超亲水和双面超疏水表面的润湿特性。首先采用纳秒激光钻孔技术在厚度为35μm的铝箔上加工微孔阵列, 得到了双面超亲水铝膜表面; 然后将铝膜在十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)浸泡20h, 铝膜从双面超亲水表面改性为双面超疏水表面; 研究了改性前后铝膜的液滴渗透情况。用COMSOL Multiphysics中的两相流分析模块研究了基于双面超亲水和双面超疏水状态下的微孔通道内的水渗透过程, 仿真结果和实验结果基本一致, 对实验起指导作用。

单点金刚石车削技术虽然可以使铜反射镜获得较好的表面粗糙度, 但同时也产生了车削刀纹, 刀纹引起镜面光的散射现象, 严重影响系统的光学性能。为研究去除铜反射镜车削刀纹的修抛工艺最佳参数, 采用4因素4水平正交实验法, 通过ZJP350平面精磨抛光机进行抛光工艺实验, 以及Zygo Newview 8200白光干涉仪对铜反射镜的刀纹去除情况和表面粗糙度进行检测。结果表明: 铜镜胶盘的方法会使铜镜表面产生划痕以及塌边现象, 而阻尼布手工修抛法则可避免这些问题。实验得到了最佳修抛工艺参数, 可使铜基反射镜表面刀纹去除, 粗糙度平均值达到2.387nm, 低于初始数据。证明该方法可在不破坏车削精度的前提下去除车削刀纹, 对其他金属反射镜刀纹去除的研究具有参考意义。

碳化硅陶瓷作为光学材料已在空间相机反射镜中得到了广泛应用, 而在碳化硅反射镜磨削加工过程中, 砂轮会产生径向磨损, 导致砂轮的形状精度发生较大变化, 这将直接影响碳化硅反射镜的加工精度和加工周期。为保证磨削质量, 需要对砂轮磨削产生的误差进行补偿。通过工艺试验, 获得不同加工参数和加工时间下的误差补偿值, 再利用五轴联动数控机床并结合UG(NX)软件快速建立母线误差曲线的补偿模型, 从而实现整个磨削过程中的磨削误差实时补偿。针对Φ1.6m口径碳化硅同轴非球面反射镜, 经过磨削补偿加工后的反射镜面型误差PV为27.4μm, RMS为5.5μm, 实现了轻质碳化硅光学元件的安全、高效、高精度磨削加工。

脉冲钬激光在碎石手术中产生热效应, 由于对操作经验依赖严重, 不便于推广经验避免其副作用。为寻求医疗碎石激光的工程优选参数, 通过搭建体外碎石模型进行温升实验, 实时监测温度变化, 利用二维有限元法(FEM)求解热传输方程分析实验结果, 针对不同参数: 灌注液流速、激光功率、脉宽、频率和能量以及光纤头不同部位, 分析激光参数与热效应的变化关系。结果显示: 实验和理论计算的温度响应曲线形状基本吻合, 实验与理论峰值相对误差最大为5.75%。灌注液流速和激光功率是热效应的主要影响因素, 灌注液流速提高或激光功率降低可以有效降低热效应: 脉冲钬激光在工作的前60s内, 当灌注液流速为14~15ml/min, 功率为20W和35W时, 体外实验中产生峰值温度分别约为41.37℃和45.23℃; 流速降低为0时, 峰值温度分别提高至约49.5℃和53.8℃。另外, 实验结果表明高能低频、较长的脉冲时间产生热效应较明显。