建立高速飞行器红外光学头罩在气动热环境下有限元分析模型，分析头罩在气动热环境下的物理特性和光学特性，对头罩在气动热环境下的温度场、应力场、应变场和位移场进行数值计算。计算结果表明头罩在气动热环境下温度场分布不均匀，因此头罩会产生热应力而发生形变。利用有限元分析结果，根据热光效应和弹光效应理论，对气动热环境下红外光学头罩的折射率场进行数值计算。以头罩外表面中心点折射率为例，在头罩工作时间内，通过计算得到头罩15s后由热光效应造成的折射率改变为0.011，而由弹光效应造成的x方向折射率改变为0.000107，即弹光效应造成的折射率改变量约为热光效应造成折射率改变量的0.97%，由此可知，在气动热环境下热光效应对头罩折射率的影响比较大，而弹光效应对头罩折射率的影响比较小。

发光二极管（lighting emitting diode，LED）取代传统光源作为投影仪，特别是微投影显示系统的光源是一种趋势。采用由非球面构成的TIR透镜代替锥形光管和CPC集光器，并通过整个系统最终在目标屏上形成的照明效果为依据，对TIR透镜的内部结构尺寸参数进行优化设计，采用经过优化设计的TIR 透镜作为对LED光源所发光束进行收集整形的光学元件，克服了在传统投影显示系统中经常出现的锥形光管或复合抛物面集光器 (compound parabolic concentrator，CPC) 给整个系统所带来的光学体积大的缺点。以单片式LCOS（liquid crystal on silicon）结构为基础，利用RGB LED时序方式进行混色，设计了一套LED微投影显示系统，并通过光线追迹程序对其光学性能进行模拟评估。结果表明：在考虑时序混色方式影响的情况下，整体系统光能效率为2.38%，系统光学体积仅为125cm3，达到了对系统结构简单紧凑的设计要求。

以特定区域的均匀照明为目标，设计一种以单粒LED为光源的均匀投射系统。根据LED的发光特性以及能量守恒定律选择采用折射-全反射(TIR)光学系统，通过建立TIR折射面及全反射面轮廓曲线上的点所满足的常微分方程，利用Runge-Kutta求解常微分方程得到轮廓曲线上点的坐标，再在UG中对坐标点进行曲线拟合得到轮廓曲线，进而得到TIR模型及适合数控加工的面形数据。将TIR模型导入Tracepro并对投射系统追迹光线。模拟结果表明：目标平面的光照均匀度达到92.6%，系统的效率达到91.8%。

为了克服模型摄动和各种扰动对机载光电稳瞄系统的影响，提出一种基于定量反馈控制理论（QFT）的光电稳定控制系统设计方法。该方法以方位回路作为讨论对象，基准模型参数值均为方位回路参数值，通过综合考虑被控对象的模型不确定范围（不确定范围取为基准值的±15%）和系统的性能指标，可实现一定范围模型摄动系统的强鲁棒性。在加入模拟幅值为0.06的力矩扰动作用下，设计系统的输出位置误差小于2×10-7rad，加入速度扰动，以国外某典型直升机角振动测试频谱作为速度扰动信号，设计系统位置误差限制在8×10-7rad内。仿真结果表明：设计的控制系统总体性能优于经典PID设计的系统。

在分析单层和多层衍射元件衍射效率的基础上，推导出光学系统中多层衍射元件浮雕深度和基底材料的一般关系式，并对这些变量进行优化，得到阿贝数的值大致在20～80之间，β的合理值在0.25～0.6之间，当2个衍射元件的阿贝数v1＜v2，且差值比较大时，阿贝数小的衍射元件的基底材料选择光学玻璃中的火石玻璃，阿贝数大的衍射元件的基底材料选择光学玻璃中的冕牌玻璃。根据这个方法，设计了3组可实现宽波段高衍射效率的不同材料、不同浮雕深度的组合，使得每组组合中两层衍射元件的衍射效率都在99%以上。

介绍了EMCCD的结构原理,详细分析了EMCCD的噪声来源。利用在EMCCD芯片内嵌入独特的全固态电子倍增结构，实现放大信号，抑制噪声的功能。通过对几种主要噪声的数学模型进行分析，总结出EMCCD噪声的3点特性：EM增益有效抑制了读出噪声；EM增益过程产生的噪声因子对倍增结构之前的噪声有放大作用；时钟感生电荷（CIC）的影响在EMCCD中变得重要。提高增益、深度制冷、时钟波形优化等方法可有效抑制噪声。

针对小推力压电陶瓷迟滞特性，提出一种用SPCE061A单片机控制的新型白光干涉微纳扫描系统的设计。该扫描系统采用低压误差放大器OP07和高压功率放大器PA78双级放大器件为核心元件，使系统的整体带宽与放大倍数可调节，并对扫描系统中压电陶瓷微位移器的迟滞曲线采用最小二乘曲线拟合法进行数学建模。实验结果表明：输出电压在（0～200）V连续可调，纹波电压的最大值为1.06mV；应用于微纳扫描控制，能获得20μm扫描范围，控制精度达10nm，线性度为0.9，阶越响应时间1.5μs，可实现对微纳扫描系统精确、快速开环控制。

为了由非机械扫描式F-P标准具的透过率得到来袭激光的入射角，设计了一种透过率随入射角近似线性变化的F-P标准具。把薄膜光学原理应用于F-P标准具的设计之中，考虑了斜入射条件下，特别是大入射角下，增透膜和干涉腔反射层特性参数变化对其透过率的影响，针对1.06μm激光，经过仿真设计，确定了F-P标准具主要参数。反射板选用K9玻璃，反射层采用单层ZnS膜时，腔长(475±5)nm，膜厚(65±5)nm，膜层垂直反射率20.7%～24.0%，对应标准具的透过率与入射角之间线性关系为T=-52.23θ+87.92，透过率非线性误差±5%；采用Ag膜时，腔长(460±10)nm，膜厚(3.80±0.15)nm，膜层垂直反射率22.4%～24.8%，T=-52.28θ+82.05，透过率非线性误差±4%。但具体的实现形式和制作工艺有待进一步研究。

由成像系统和可控扫摆镜组合的具有周视功能的系统常出现像旋现象，根据反射棱镜具有调整光轴和引起像旋的性能，将不同的组合结构设计成像旋补偿系统，以相互抵消的方式来消除像旋的影响。利用平面反射镜组合代替反射棱镜的方式，消除棱镜加工等实际因素对通光口径的限制。根据反射棱镜转动定理分析扫摆镜产生像旋的原因，举例说明反射镜组合能够解决大口径扫摆光学系统的像旋问题。

用传输矩阵方法和Bloch定理，从理论上分析以色散介质为背景，由正负折射率材料组成的半无限一维光子晶体的表面态，发现以色散介质为背景，在满足平均折射率等于零的情况下，第一层厚度变化时，表面态将会在较大频率范围内显著变化。讨论了同一入射角度下不同频率的表面态的电场分布情况，结果表明：远离带边的表面态局域长度较小。

根据目标所处的背景辐射环境，对空间卫星的紫外散射特性进行建模方法研究。依据目标表面材料属性与表面状况对目标表面进行区域分解与网格划分。基于辐射理论引入双向反射分布函数模型来描述目标表面网格单元的光散射特性，将目标各个表面所有网格单元散射分量叠加建立了目标紫外散射特性的数学模型。利用给定的目标几何结构尺寸和物性参数仿真获得了目标在轨动态光学特性。在某一观测角度下太阳帆板在探测光学系统入瞳产生的辐照度值与卫星本体接近，最大量级为10-11W/m2。仿真结果表明太阳帆板在目标特性分析时不可忽略。

为了提高成像质量,得到高分辨率的图像,通过对灰度投影法进行分析,提出一种基于灰度投影法运动估计的成像CCD平移补偿法,给出其系统结构图。该方法采取只平移成像CCD，探测CCD固定，即在成像CCD补偿位移量的过程中，探测CCD不补偿位移，探测CCD在成像开始的第一帧为全局参考帧，其他帧与之比较来获得位移量。验证了分辨率标板在各种运动情况下系统的补偿效果,对拍摄的实物图像进行恢复，结果证明：该补偿法对慢速运动图像和随机振动图像具有较高的恢复能力。

由于月球表面的地形起伏引起月面遥感图像像素与太阳相对位置和几何取向不一致，导致月面遥感数字图像上阴影像素的产生。为了解决这一问题，利用与遥感图像匹配的DEM和光照方位参数进行遥感图像的阴影判断，基于DEM数据，利用邻坡反射辐射，进行自然地形条件下的月表遥感图像阴影像素的阴影消除，恢复成太阳光谱照度相等（入射角，反射角和距离相同）时的像素遥感值。仿真实验结果表明：该方法较好地消除了月表影像的阴影，充分恢复了月表影像的反射/光谱特征。

曲率波前传感器已被用于天文自适应光学和光学度量等领域。在这些领域使用时都假设入射波前光强均匀，但这种假设与曲率传感技术的基本原理不一致。利用傅里叶光学理论，给出了光强不均匀情况下曲率波前传感器的曲率信号解析式，并利用光强均匀和不均匀情况下的信号表达式对探测高斯光束时的信号误差进行了数值分析。结果表明：曲率波前传感器探测高斯光束时存在一定误差，相位分布为4阶Zernike多项式时，误差最大，且阶数越高，误差越小；分区平均曲率信号误差较小，一般在10％以下。

介绍了光谱相位相干电场重构法（SPIDER）信号处理的原理，提出一种基于离散频谱校正的SPIDER信号处理改进方法，该方法可克服采样速率不足带来的信号处理误差。试验发现：在无噪声情况下，当取的校正点数足够多，基本可以达到无偏校正；而在有噪声的情况下，应适当选取校正的点数，来增强抗噪性能。该方法能在信噪比较差的情况下，得到时间延迟τ。经过仿真计算，在光谱仪最小分辨率和测量范围的限制情况下，该方法能够突破该限制在时谱上造成栅栏效应，大大提高SPIDER中时延参数的测量精度。该方法实现简单，精度高，抗噪性能好，无需改动设备就能提高系统精度，可广泛应用于SPIDER技术中。

为了提高图像无缝拼接效果，对现有平滑算法进行分析，在此基础上提出一种基于小波方向对比度的中缝平滑算法。该算法首先对源图像进行基于统计参数的预处理，使得图像整体亮度趋于一致，然后利用小波变换对图像进行多分辨率分解，对于分解后的图像提出采用一种基于改进的小波方向对比度的规则进行平滑处理。文中还通过几种图像客观评价标准对仿真结果进行了评价，结果表明：该方法在两图像灰度相差较大时也能够取得较好的平滑效果，对光照具有鲁棒性，并且平滑后的图像可以保留原始图像的细节信息，使得图像在保证清晰度的前提下达到无缝拼接。

研究了一种新型的对红光和蓝光敏感的非水溶性光致聚合物材料的全息存储特性。该聚合材料由复合单体、复合光敏剂、复合引发剂、链转移剂及成膜物等成分组成，它具有防潮、后处理简单、分辨率高及耐高温等特点，对红、蓝光2种衍射效率均不低于75%，灵敏度为(45～65)mJ/cm2。对该材料先后进行了双波长复用存储实验和角度复用存储实验，当用红光或蓝光再现时再现图像清晰可见，相邻2副图像之间无明显干扰，说明该材料具有良好的存储性能，适合作高密度数字全息存储的记录材料，可用作光通信中的波分复用器及其他光学元件。

针对复杂环境条件下的视觉跟踪问题，提出一种基于自适应非参数统计模型的彩色目标跟踪算法。利用目标和背景之间的强度差别，基于自适应核密度估计模型对运动目标进行了非参数统计建模。为了实现具有较大范围运动目标的跟踪，在充分考虑目标和背景之间的相关性前提下，采用目标特征统计的背景加权直方图对搜索区域进行了扩大。为了提高对环境变化的适应能力，根据目标和环境的变化自适应更新目标特征分布模型。通过对实际图像序列的实验，结果表明该算法能够有效跟踪运动目标，并且平均迭代次数比传统方法减少了37.28%。

提出了一种星敏感器光学系统弥散斑尺寸的测试方法，主要是利用平行光管、转台和CCD显微摄像系统组成弥散斑测量系统，采集图像后，采用双三次插值像元细分，提取图像中灰度值，依据瑞利判据计算弥散斑尺寸。通过实际测量和试验验证，光学系统0.8视场弥散斑测量精度可以达到0.5μm，重复测量精度可达0.2μm。

根据Kurtz粉末倍频理论，使用光纤光谱仪自行设计搭建一个粉末倍频测试系统，该系统可在基频光波入射方向不变的情况下，通过转动旋转臂在不同方向探测二次谐波，并且具有较高的精确度和灵敏度。使具有位相匹配特性的颗粒尺寸范围扩大为46μm～250μm 。使用波长为1.064μm的基频光，对KIO3晶体粉末的倍频效应进行了测试。测试结果表明，KIO3晶体粉末透射倍频光具有位相匹配特性。这一测试结果与已报道结果相一致。通过数值模拟实验测试曲线，获得了KIO3晶体粉末的倍频系数d2ω的值为9.7×10-12m/V。这一模拟值与已报道的KIO3晶体对该基频光波产生的倍频系数d32的值相吻合。由此可见，该方法切实可行。并且可推广应用到其他晶体材料的非线性特性测试研究。

为了解决传统配光曲线只能反映LED发光二维特性、立体感太差及不便于人为观察比较的难题，提出一种新的基于高级图像编程语言(LabVIEW)的LED三维特性(光强空间分布)快速检测方法。在传统光强空间分布检测方法的基础上，采用多路光度探测单元同步测试，可在0.2s内一次性由31个探测单元同步测得LED光源的二维光强空间分布（配光曲线）。通过增加旋转机构转动待测LED样品，依次测得i(i=180°/α)条配光曲线。最后由自研软件将i条配光曲线进行数据汇总处理，便可得到LED光源的光强空间分布的三维立体图。该检测方法具有速度快、精度高、信息量大等优点，并且具有实时性和直观性。

为提高管道的运送效率，及时检测排除管道内壁的缺陷非常重要。提出利用超声红外无损检测方法对管道内部进行检测。超声主动热激励试件，高频红外热像仪记录试件表面温度变化，结合了超声摩擦生热和红外热成像的优点。对壁厚约为3.3mm检测难度较大的金属管内壁缺陷进行了检测。通过对采集数据和热图的处理分析，准确快速地确定缺陷所在的位置。实物对比分析表明：超声热激励红外无损检测技术可以对金属管道内壁缺陷进行准确检测定位。

为了对大型建筑物变形角度进行测量，提出一种新的二维小角度测量方法，并根据该方法研制了一种光电二维倾斜仪。采用位敏传感器对激光光斑进行测量，根据光斑的移动推导出小角度的变化值。设计中采用到固液两相的特殊液体，可通过外加磁场的方法调整液体黏度，以消除测量现场环境振动的影响。多次的角度反射放大了最终的反射角，提高了测量精度。该设计结构简单，成本低，精度高并且环境适应力强。实验测试结果分辨率可达0.1角秒，重复精度能达到1角秒以内。

根据电子散斑干涉载频调制测量物体形貌的基本原理，物体表面的微小偏转可引入包含物体高度信息的载波干涉条纹。将物体的偏转视为变形，对物体变形与载波干涉条纹之间的关系进行了讨论，得出了离面位移引入载波和面内位移引入含有物体高度信息相位的结论。发现利用典型电子散斑干涉系统测量物体形貌效果最好，并通过实验得到了验证。

鉴于近贴距离尤其第一近贴距离是影响分辨力最重要的因素，提出一种新的微光像增强器近贴距离在线测试方法。应用平行平板电容器原理，通过测量阴极面和微通道板输入面之间的电容值来测量第一近贴距离。利用多组电容值和第一近贴距拟合出二者的函数关系式，通过精度分析，对函数关系式进行了修订及验证，测量最大偏差11.9%，满足精度要求。借助在线监控测试第一近贴距离，使压封过程处于受控状态，以便实现近贴距离的精密调控，达到提高微光像增强器分辨力的目的。该方法可推广到其他小间距的在线监控测试。

鉴于通常制作的离子阻挡膜存在通孔，在阴极低电压下，经MCP电子倍增在荧光屏上显示为亮孔，为测试出规则与不规则亮孔的大小和数量，提出了一种像管的离子阻挡膜质量测试方法。该方法是在规定电压和光阴极照度的条件下，使像管光阴极接收约2lx的光照射，给像管各极施加电压使像管荧光屏上离子阻挡膜亮孔清晰可见，用10倍显微镜或相机拍照，观察荧光屏所成的离子阻挡膜通孔图像。试验结果表明：在相同的测试条件下，离子阻挡膜的制作工艺不同，离子阻挡膜质量亦不同。

根据波前拟合和计算机辅助装调的算法原理，基于动态数据交换（DDE）接口技术和泽尼克多项式拟合技术，采用阻尼最小二乘法，运用MATLAB和ZEMAX联合计算实现了计算机辅助装调。利用DDE接口在ZEMAX和MATLAB之间进行通讯，并用MATLAB编写了能够生成各阶泽尼克圆多项式和环多项式的基底矩阵函数的可视化的计算机辅助装调程序，实现了程序的通用性及易用性。使用该程序对大遮拦比光学系统进行模拟装调，验证了程序的正确性。为了确认泽尼克圆多项式在环域上的相关性对计算机辅助装调结果的影响，分别采用泽尼克圆多项式和环多项式进行模拟装调。模拟结果表明：计算机辅助装调使用这两种泽尼克多项式均可行。

介绍一种根据出射光平行度要求计算斜方棱镜面形误差的方法。根据忽略局部光圈数的简化分析模型，获得面形误差对应光圈数与相关球面半径的关系，通过几何处理方法，求得一定面形误差对应的球面半径与平面倾角的关系，将斜方棱镜的工作面倾斜一定角度，运用折射定理，将具体面形误差转化为相应平面的倾斜角度，得到出射光相对于理想光轴的倾斜角度及其关系式，并在ZEMAX中建立斜方棱镜的两种模型。根据ZEMAX仿真结果，给出了各个工作面形误差分配方案，得出随着光束口径的增大，斜方棱镜反射工作面和折射工作面面形误差对出射光偏折角影响规律不同等结论。

基于应力光学定律和弹性热应力理论，导出双折射的光程差与主应力差之间的关系。利用光学弹性仪进行了实验测试，研究了温度变化下应力对树脂光学镜头成像质量的影响。从28℃～68℃的温度范围内，实验获得了树脂镜头的热应力等色线和不同温度、静置情况下的树脂镜头的热应力等色线干涉条纹的图像。得出结论：温度变化在树脂镜头中产生热应力，但不会产生应力集中，在温度恢复时没有残余应力，在40℃的温度变化内不会影响光学树脂镜头的成像质量。

探讨了一种进行磁流变抛光的方法，针对该方法的运动方式进行了磁流变抛光过程中相对速度和驻留时间的计算，并模拟了相对速度与工件口径、相对速度和时间乘积与工件口径的关系曲线。在理论分析的基础上，进行了相应的工艺实验，分析了该磁流变抛光方法的去除特性，并对中心区域去除特性的不同原因进行了探讨。实验结果研究表明：采用该方法能够实现光学零件除中心区域外的均匀去除。

针对穿插于滑坡体内的输油管道，提出一种基于光纤光栅传感的管道安全监测系统。系统由光开关和光纤光栅解调仪共同完成数据的自动测量和存储，并利用GPRS方式进行数据传输。利用已知管道上三点应力求最大应力的方法，选用自行研制的光纤光栅传感器监测管体应力。该传感器除了具有抗电磁干扰、耐腐蚀、稳定性好的优点，还可以实现温度补偿，不但排除了温度对测量结果的影响，还可以测量环境温度。经实际应用证明：该监测系统可实现实时监测，性能稳定。

建立了双曲柱面透射光栅的数学模型。由光程的定义导出平行光通过单个双曲柱面的复振幅透过率。用傅里叶光学方法得出双曲柱面透射光栅在频谱面上的光强分布表达式。使用MATLAB软件模拟出其衍射光强随双曲线半实轴变化的分布规律，得出的衍射花样与理论分析一致。最后从理论上指出双曲柱面透射光栅在光学领域的应用。

为研究石英晶体温度效应对四频差动激光陀螺的影响，从陀螺的自再现传播矩阵出发，结合石英晶体旋光率随温度变化的经验公式，利用琼斯矩阵求本征模的方法，得出了四频差动激光陀螺腔内光场本征偏振态与温度的关系并进行了数值分析，得到椭圆度和左右旋差损随温度变化的曲线。结果表明，石英晶体温度效应对偏振特性的影响与反射镜片的振幅反射率和反射相移有密切关系，对于典型陀螺参量，在-60℃～60℃范围内石英晶体温度效应导致左右旋差损从0增加至10-6量级, 椭圆度从0.122增至0.138。

对激光测距机传统的光轴校正方法进行了改进：通过光轴平行性偏差与偏心环（框）旋转角度之间的校正模型计算出偏心环（框）需要调整的角度值，利用光轴校正装置可实现激光测距机光轴的校正。校正方法可分为半自动校正和全自动校正两种方法：半自动校正方法采用在激光测距机双偏心结构上加刻度环，通过套筒旋转双偏心结构一定角度，实现对光轴进行调整；全自动校正方法采用步进电机带动双偏心结构旋转达到对光轴进行调整的目的。通过对某型激光测距机进行实验研究，实验结果表明，采用提出的方法进行光轴校正后光轴误差均在最大允许误差范围内(0.25mrad)，该值满足实际要求。

为解决核物理工程、表面热处理、激光加工、激光通信中传输激光束的均匀性问题，提出采用三角楔柱透镜改善线激光均匀性的新方法，并在ZEMAX开发环境下建立了整形光路系统的理论模型。利用所建立的模型，分析了整形柱透镜在不同半径、斜面夹角、透镜介质折射率等参数下光束的均匀性。研究表明：在远场条件下，通过改变整形柱透镜的参数，能够得到能量分布均匀的线激光。在实际应用中，可以采用1个半圆柱和2个相同三角楔胶合成型的简单工艺。进一步模拟发现，两种整形系统所得到的均匀度和线宽一致。

鉴于偏频锁定技术在激光外差探测和激光雷达等方面的广泛作用，基于可编程逻辑器件，设计了适用于窄脉冲激光外差信号的偏频锁定控制系统。在设计中，使用超高速电压比较器进行波形变换、多脉冲鉴频和大概率均值滤波进行数字鉴频，采用小步长快速控制方法进行调频，利用数模转换器和线性放大电路输出调频信号。借助信号发生器产生40ns脉宽的模拟外差信号对系统进行了仿真，实现了设计功能。对系统进行鉴频和调频测试，在40ns脉宽时鉴频误差范围为-7.5MHz～+7.7MHz。

为构建LD泵浦Nd∶GdVO4/KTP腔内倍频热效应不敏感的激光器系统，提高绿光激光的热稳定性，利用基于传播圆变换理论的Z型腔图解分析方法，得到光斑半径w2、w3随热动力参数1/ft的变换关系，利用Mathematics编程软件计算得到了具有激光晶体热透镜不敏性的Z型折叠腔参数。当激光器腔长参数为170mm, 523mm和152mm时，在20.3W的注入泵浦功率下获得了2.72W的531.5nm连续绿光激光输出，实现光-光转换率13%。通过传播圆变换理论图解分析方法的理论计算和实验研究，发现在1/ft小于0.25cm-1的情况下，该腔在激光晶体和倍频晶体处的光斑大小稳定，热效应不敏感，像散不明显。