超透镜作为一种可在亚波长尺度灵活调控光场的人工微结构, 近年来在光学成像领域受到了广泛关注。在超透镜成像系统设计中, 通常只根据焦距和工作波长设计超透镜, 而不考虑成像过程, 这往往导致整个系统成像质量不佳。为提升成像质量, 文章通过将超透镜参数设计和图像恢复算法两个过程同时纳入成像系统的设计过程, 提出了一种联合优化方法来实现基于超透镜的高分辨率成像。方法不仅对超透镜参数进行了相应的优化以获得比较理想的点扩散函数, 还实现了2倍于输入图片分辨率的高质量图像重建。

针对精密定位平台大行程下定位精度不足的问题, 提出一种基于非共光路外差激光干涉反馈的新型纳米精密定位系统。系统由非共光路外差激光干涉和高精度光栅构成复合反馈, 保留了高精度光栅大行程高分辨率的优势, 同时结合非共光路外差激光干涉协同定位, 消除了光栅的安装误差和变形对定位精度的影响, 提升了大行程下的定位精度。系统采用基于BP神经网络的预测微调定位技术, 一定程度上提升了定位效率。实验结果表明, 在100mm行程范围内,系统轴线双向定位精度可以达到28nm, 轴线重复定位精度可以达到26nm。通过预测定位, 定位结束门限设定为20nm时, 系统定位微调时间可由1.65s以内缩短至0.6s以内。5mm/s的速度下, 系统跟随误差可达100nm。

星-地激光通信具有通信距离远、传输信道复杂等特点, 为建立稳定可靠的星-地激光通信链路, 需要建立大口径的地面站。着重研究了地面站中500mm大口径主镜柔性支撑的点位分布及结构尺寸。让主镜组件既满足刚度需求, 也具有柔度缓解其自身动态误差。在Isight平台建立光机热耦合的优化流程。运用Zernike多项式拟合面形得到精准的镜面RMS值; 并以此为优化目标, 获取柔性支撑点位的最优解及柔性杆尺寸参数的最优解。经过优化, 主镜组件可适应温度范围扩大了约30℃; 在俯仰角度变化下, 主镜RMS值下降约2nm。对设备进行了相关试验, 主镜面形均满足指标要求小于0.08λ。

数字全息成像是一种获得三维物体的波前信息的关键技术, 获得高质量的全息图是其首要条件, 由于受到图像传感器的约束及实验环境的影响, 所获得的数字全息图带有散斑噪声及分辨率低等问题。为了克服这一约束, 采用了一种基于深度学习的方法来提高全息图质量、图像分辨率及条纹信噪比。结果表明, 所研究算法可以应用于采集的多尺度全息图, 而且获得的高质量全息图重建效果更好, 减少散斑噪声影响, 并比较了三种损失函数在该网络训练中的性能。

悬浮显示技术是一种非常具有发展前景的显示技术,它可以将图像显示在空中,给观看者带来沉浸感和临场感的体验。目前国内悬浮3D显示技术研究还处于初级阶段。文章提出基于集成成像的悬浮3D显示系统,系统由集成成像3D显示器、半透半反镜和逆反光膜组成; 分析了集成成像3D显示的工作原理和逆反光膜的悬浮显示原理。将集成成像3D显示技术与基于逆反光膜的悬浮显示技术相结合,集成成像3D显示器发出的光线经过半透半反镜的反射到达逆反光膜,逆反光膜将光线以入射的角度进行反射并重建出3D图像,在实现3D图像悬浮显示的同时也解决了集成成像3D图像深度反转的问题,但是3D图像的亮度被大幅度的降低。系统为悬浮3D显示提供新的理论依据,为解决集成成像3D图像深度反转提供新的方法。

设计完成了一款具有特定结构的光阑, 光阑孔径深度设计为15mm, 光阑孔径张角设计为左右张角各为10°, 上方张角设计为6.5°, 下方张角设计为3°, 光阑安装在一级反射镜后, 光阑中心线与对应主光线重合, 同时采用双光电传感器与多温度传感器作为信号探测器接收信号幅值。通过特定孔径深度、张角等结构设计的光阑使得边界内、外幅值区分明显且幅值成正态分布, 结合传感器的使用将光照强度及像源面温度以数值显示, 便于检测标定。这检测设计光阑体积小、检测效果明显、成本低, 通过光阑与传感器的逻辑配合使用, 可以用于车载抬头显示器阳光倒灌的检测, 对车载抬头显示器行业起到一定借鉴作用。

化学发光（chemiluminescence）与层析成像（CT）结合能够测量燃烧流场的三维信息。为了研究层析成像的重建效果, 实现了两种经典的迭代类算法: 代数迭代法（ART）和最大似然期望最大化法（MLEM）, 比较了两种算法在不同布置方式、不同流场以及不同噪声水平下的重建性能。仿真结果表明, 在投影数目较少的情况下, 非共面布置方式可以有效提升重建精度; 当投影数目达到9个时, ART算法和MLEM算法的均方根误差均小于2%, MLEM略优; 同时MLEM算法的抗噪声能力更强, 更适合在复杂环境下重建, 但ART算法的时间成本占优, 9个投影时ART算法比MLEM算法快约56.57%。实验结果表明, 两种算法均能得到良好的重建效果, MLEM算法的计算精度略高于ART算法。在待测流场划分的体素更多的情况下, MLEM耗费的时间成本约为ART算法的8.37倍。

数字全息具有测量精度高、实时性强等优势, 在诸多领域有极高的应用价值; 光致聚合物作为光存储介质, 是最有前途的全息记录材料之一, 但记录过程中发生光聚合反应而引起的厚度收缩极大影响了记录效果, 为测量其厚度的具体收缩量, 提出一种基于数字全息的光致聚合物收缩率测量方法。以马赫曾德干涉光路为基础设计实验系统, 记录光致聚合物反应前后的全息图, 利用全息干涉计量的方法计算相位改变量, 根据相位差与收缩的关系计算得到光致聚合物的收缩率。

三维形貌测量技术中, 解调相位是分析变形条纹图进而获取物体表面信息的关键步骤。相移法是一种非频域分析方法, 需要三幅及以上条纹图, 只适用于静态测量; 而频域分析的相位解调方法, 比如傅里叶变换、窗式傅里叶变换、小波变换以及希尔伯特黄变换, 它们只需要一幅条纹图即可提取相位, 更加易于操作, 自动化程度更高, 适用于动态情况的相位提取。文章介绍了几种相位解调方法的研究现状, 深入分析了频域分析的相位解调方法的基本原理及其对相位的解调效果, 最后总结了频域分析的相位解调方法的特点及对未来的展望。

针对紫外-可见光谱定标精度需求,设计了一款波段范围在185~900nm的三光栅单色仪; 为提高单色仪的波长扫描精度,降低高精度波长扫描机构在工程上的成本。建立了光栅转角误差对扫描机构波长精度的影响模型,设计了基于高精度编码器的转角误差补偿装置,通过软件不同参数设置和算法设计的补偿算法,实现了波长扫描机构的精度校正; 实验结果表明,通过参数算法补偿后,扫描机构的波长准确性精度和波长重复性精度在工作波段范围内有所提高,不同波长下其精度的提高程度不同,其中,波长准确性精度提高比范围为20.8~35.2%,波长重复性精度提高比范围为61.5~95.2%。实验结果验证了误差补偿装置及补偿算法的有效性,提高了波长扫描机构的精度,降低了高精度波长扫描机构在工程应用上的成本。

针对基于接收信号强度的可见光通信系统室内定位精度低的问题, 提出一种基于深度神经网络的可见光通信系统室内定位方法。方法采用可见光信道估计技术进行室内距离测量, 以解决接收信号强度稳定性与可靠性不足的问题。此外, 设计了深度神经网络在离线阶段学习光电二极管距离向量的分布特性, 以避免光信号不稳定导致误差升高的问题.在线上阶段基于多距离向量对目标进行定位, 可在满足时间效率要求的情况下提高定位精度。仿真结果表明, 在室内场景下, 该方法的平均定位精度优于传统三角定位法与基于接收信号强度的定位方法。

采用有限差分方法, 从理论上分析了中空双曲正弦高斯光束在光折变介质中的传输特性。首先给出了不同光束阶数下中空双曲正弦高斯光束的强度包络, 随着光束阶数的增加, 光束的中空区域逐渐加大; 然后分析了光束阶数和非线性参数对光束传输形态的影响。当光束阶数取2时, 在一定传输距离内, 中空双曲正弦高斯光束的聚焦行为具有周期性, 相应的聚焦强度比逐次减弱; 随着非线性参数的增加, 光束首次呈现聚焦行为的传输距离逐渐减小, 而聚焦强度比变大。当光束阶数改变为3时, 中空光束在一定传输距离内只呈现一次聚焦行为, 随后光束呈现点状分布; 光束阶数改变为5时, 中空光束呈现聚焦行为的传输距离进一步增加, 聚焦强度比明显变大。结果表明, 利用光束阶数和非线性参数可以灵活的操控中空双曲正弦高斯光束的演化形态。

大口径镜片由于其面积大、重量重, 加工质量难以保证, 且生产效率极低, 严重限制了此类产品的发展。查阅国内外科技文献, 极少涉及大口径光学镜片相关加工技术研究。目前一般采用的工艺方案还是传统的加工方法, 生产质量难以保证, 且生产效率极低。口径在200~300mm的球面光学镜片的高速加工工艺, 采用镜片进行主动旋转运动, 模具随镜片旋转而从动运动的工艺方式。为得到稳定的加工面型, 对表面成型原理进行了分析, 并对实际生产过程中的工艺因素进行了研究。大口径球面光学镜片加工, 铣磨采用立式铣磨机加工, 工艺时间为30~60s左右; 精磨采用固着磨料金刚石丸片分两道砂W14和W7配套进行, 工艺时间分别定为30s和20s左右; 抛光模具采用聚氨酯抛光片粘接而成, 采用氧化铈抛光粉, 工艺时间为300s左右。将所加工的镜片进行面型检测, 用ZYGO轮廓仪测得镜片的PV值为0.227λ, RMS为0.024λ, 达到了比较理想的加工效果。

对星图识别算法的应用背景进行介绍, 就其优势进行了简述。重点对目前主流的三类星图识别算法进行了综述, 介绍了子图同构类算法、模式识别类算法以及人工智能类算法, 并进行了分析和比较;对星图识别算法研究的评估进行了说明;对星图识别算法的未来发展进行了展望, 提到了非可见光条件下的星图识别、高动态复杂环境下的星图识别和考虑气动光学效应的星图识别等相关未来的研究重点。

针对天基序列星图配准存在的效率和精度问题, 提出了一种天基序列星图高精度在轨实时配准方法。对基准图和待配准图进行分块, 通过预设搜索框的方式, 采用归一化相关系数匹配法, 获得整像素精度的子图匹配结果; 对该结果的小邻域进行二次曲面拟合, 获得亚像素精度的匹配对点; 使用单应变换模型求解星图的变换关系, 完成单帧星图的配准; 使用基于末帧的窗口滑动方式, 实现序列星图的连续实时配准。实验结果表明, 所提方法可以避免恒星质心提取误差和天基平台长时间运动对配准精度造成的影响, 相比标准的块匹配, 对于16位4096×4096的真实天基星图, 所提方法的子图匹配计算效率提升98.7%, 配准时间缩短了89.0%, 单帧配准的峰值信噪比平均提升了将近0.20; 所提序列星图的连续配准方式, 速度达到了0.040秒/帧, 配准结果的峰值信噪比为6.765, 能满足高精度和高实时性要求, 通过适当移植优化有望应用于后续的天基平台的弱小目标检测。

视网膜血管的自动分割技术有助于早期诊断和治疗与视网膜相关的疾病。由于视网膜血管结构复杂且精细, 眼底图像存在着低对比度、光照不均以及病理性渗出物等因素的干扰, 导致该任务仍然具有挑战性。针对该任务主流框架U-Net中未考虑全局语义依赖关系以及编码器和解码器之间的语义鸿沟问题, 提出了一种同尺度和跨尺度增强的U-Net模型。从两个角度对该模型进行设计: 对于同一尺度的编码-解码层, 一种空间增强的自注意力机制被嵌入到每个编码层中以增强模型的全局空间聚合能力, 并进一步将其拓展到解码端来缓解解码过程中上采样操作带来的信息丢失等问题; 对于不同尺度的编码-解码层, 引入了一种新颖的跨尺度融合模块, 通过动态地选择最深层中丰富的特征信息来增强与其它层之间的语义交互, 从而进一步弥合编码器和解码器之间的语义鸿沟。在DRIVE、CHASE_DB1和STARE三个视网膜标准数据集上进行了实验验证, 实验结果表明I2A-Net能有效地分割出视网膜血管结构, 相比与基线模型, 在各项评价指标上均取得了较高的提升。

单分子免疫检测,是指将免疫复合物限制在极小的体积内,对产生的信号进行计数,是一种“数字化”的免疫检测技术。单分子免疫检测仪的核心类似于一个荧光显微系统,但普通的荧光显微镜结构复杂,且与生物芯片规格无法匹配,不能很好地满足检测需求。针对自行研制的生物芯片规格,合计了一套高性能的单分子免疫检测光学系统。根据设计要求,确定了合适的初始结构; 在荧光显微系统原理和像差分析理论的基础上,使用光学设计软件Zemax对系统进行反复优化设计; 设计出了满足单分子免疫检测成像要求的光学系统。系统的成像部分由15片折射透镜组成,工作距离为4mm,放大倍率为-4.52,调制传递函数值在奈奎斯特频率73lp/mm处均大于0.44,畸变为0.8%,照明部分采用柯勒照明方式,在整个视场范围内,物面上的照度均匀度达到97%。整个系统采用国产常规玻璃,有利于加工和降低成本。经优化后的高分辨率荧光显微系统结合当前发展成熟的全自动化检测技术,可以极大提高单分子免疫检测的检测灵敏度和准确率。

数字PCR（dPCR）技术作为传统PCR技术的更新迭代, 有着绝对定量的特点, 在新冠病毒核酸序列检测、癌细胞探测等生物学领域有着巨大的潜力。现有的dPCR荧光检测系统在检测通量、检测速度以及成本之间难以做出合理的权衡。由于成像视野小、需多次图像拼接极大影响了dPCR荧光检测系统效率和时间。文章构建了一套采用大视场荧光显微设计的多通道dPCR检测系统实验平台, 依托该实验平台, 运用Zemax软件优化结构, 改进显微成像物镜设计, 能够实现直径18mm的全视场范围FAM、HEX、ROX三种荧光通道分辨率在6μm的多通道成像。采用随机霍夫变换算法(RHT)图像处理分析方法, 对常规均匀“圆孔”和新型“雪花”、“树枝”等非均匀结构的微流控荧光芯片, 均能实现高效检测, 得到清晰、稳定的荧光图像。

我国鼻内窥镜受加工, 装调等因素的影响, 内窥镜在实际使用时的分辨率及像差情况要明显差于设计水平, 论文经过公差分析, 得出偏心公差对结果影响巨大, 基于以上问题, 文章在设计的一款视场角为80°, 入瞳直径为0.2mm的鼻窦物镜基础上, 模拟装调误差, 提出在不改变装调后鼻窦物镜机械结构的前提下, 在物镜保护玻璃前方加入掩膜相位板补偿装调误差导致的成像质量下降; 从设计结果可知, 添加掩膜相位板后系统传函图从在空间频率30lp/mm等于0提升到170lp/mm大于0.2; 用N3鉴别率板检测系统分辨率, 物方可分辨18组左右, 物方分辨率为15μm。由此可知在补偿掩膜相位板的设计中, 在不改变原设计基础上, 可明显提高像质。