基于AOTF成像光谱仪原理样机的总体设计方案, 提出工作谱段范围400nm～900nm声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪系统的光机系统设计。该原理样机的光学系统采用三组镜头组合而成, 前置望远镜系统采用1倍的物镜与准直镜光学系统组合, 成像镜同时采集由AOTF产生的正交偏振的正、负一级衍射图像, 全系统在32lp/mm的空间频率下, MTF大于0.7。

设计了用于非制冷红外焦平面阵列探测器的大视场、大相对孔径的长波红外物镜。系统由3片非球面锗镜组成, 采用反远距结构, 系统焦距为6mm, 相对孔径为1∶0.8, 全视场角为160°, 总长为86.13mm。设计结果表明：在空间频率为20lp/mm处的MTF值大于0.7, 接近衍射极限。该系统除具有反远距结构的结构简单、体积小、质量轻、像面照度均匀等优点外, 还具有超大视场。

为了解决机电式消热差中光学系统热差太大, 透镜的移动不能补偿温度变化引起的像面漂移问题, 提出光学被动式和机电式消热差相结合的无热设计方法。该方法先通过光学被动消热差方法得到合理的消热差透镜组合, 使热差控制在较小的范围内; 然后通过机电消热差的方法消除剩余热差。在(-40～60)℃温度范围内, 利用该方法对波长为(7.5～10.5)μm的双视场红外光学系统进行无热化设计, 借助传递函数(MTF)对设计结果进行评价, 说明该设计在整个温度范围内满足系统像差要求。

利用修正的部分色散(P)和阿贝数(V)公式, 计算一些典型的普通光学玻璃在450nm～950nm波段的色散特性, 应用二级光谱理论, 采用普通光学材料, 设计了一个复消色差系统, 分析近红外波段光学系统的二级光谱特性及校正方法, 给出设计实例。设计结果表明：在可见光近红外波段, 采用重冕玻璃ZK4、ZK8和特种火石玻璃TF3组合实现了二级光谱色差的校正, 即从理论的0.18mm减少到0.084mm, 证明该系统有较好的消色差能力, 并且具有较长的后截距, 为安装像移补偿反射镜提供了方便。

为满足市场对超薄手机镜头的需求, 运用光学设计软件ZEMAX, 参考传统三片式结构, 设计了一款新的超薄非球面塑料手机镜头, 其中第一片镜片是正透镜, 第二片镜片是负透镜, 第三片镜片也是负透镜, 且光阑位于第一片透镜和第二片透镜之间。这3片透镜的材质分别为APL5014DO、POLYSTYR、ARTOND4531, 折射率和阿贝系数分别为1.542130, 56.833340, 1.590481和30.866877, 1.514612, 57.200025。该镜头的光圈值F为2.4,视场为58°, 镜头总长为2.19 mm。在295lp/mm处MTF值都大于0.2, 点列图能量集中, 各视场都在airy限制内。

从麦克斯韦方程组出发, 结合旋光晶体的物质方程以及单色平面波从各向同性介质入射到晶体界面时电场的连续性边界条件, 通过晶体主轴坐标系和界面坐标系的坐标变换, 推导了任意入射方向的单色平面波在晶体界面上的折射方向的求解公式, 进而利用所得的折射方向求解晶体中折射波的电场本征模、电位移矢量本征模和光线方向。该方法以波动光学和晶体的物理性质为理论基础, 推导过程没做近似, 对双轴、单轴和各向同性晶体以及晶体是否具有旋光性都适用, 并可通过计算机编程求出精确的数值解。

提出一种基于纯位相液晶空间光调制器(LC-SLM)实现变焦透镜的方法。根据液晶空间光调制器的位相调制原理, 以相息图控制LC-SLM来调制入射光波, 并衍射产生透镜波面, 改变相息图的衍射距离, 可实现变焦位相菲涅耳透镜的功能。分析衍射孔径、衍射距离、相息图位相阶数等参数对变焦位相菲涅耳透镜的影响, 并以点光源相息图为例对该方法的可行性进行了实验验证。实验结果表明：通过改变计算衍射距离, 提出的方法可得到焦距不同的透镜, 且易于控制, 为三维扫描显示的实现提供了可行性依据。

介绍光电系统中球形壳体上光学窗口的设计方法。以红外窗口为例, 对常规平面设计方法和UG实体模型方法进行对比。前者采用试凑的方法, 后者利用UG实体建模和空间几何转换的方法, 得到了光学窗口的正确尺寸和位置,较前者具有直观和理论性强的特点。根据窗口的光学特性和工程实际, 确定了窗口的安装固定方式。

航天遥感器三反同轴系统中不经过主镜、次镜直接由物空间经后续系统到达像面的光线是最主要的杂散光来源。利用光路追迹原理讨论抑制该类杂散光的外遮光罩和主、次镜遮光罩的设计方法, 给出简化计算公式, 并利用CodeV的宏语言编制了自动化设计的程序。最后, 结合某遥感器给出遮光罩设计实例, 最终采用的遮光罩面遮拦比约为8.3%, 并通过仿真分析和外景成像试验进行验证。结果表明, 给出的设计方法能够达到消除一次杂光的要求。

LED光源作为汽车照明系统的一门关键技术, LED汽车前照灯的配光设计是一个具有挑战性的研究课题。根据光通量及色度指标的要求选择LED光源, 采用抛物面反射器并结合两者的偏移与旋转来分析光分布。每个LED光源拥有独立的光学系统, 并负责配光屏上不同区域的照度, 近光系统采用8个LED, 远光系统采用10个LED。用CATIA三维设计软件画出组合反射器模型图, 通过光学软件Tracepro反复调用不同的模型来追迹光线得到最后的配光效果。设计中无需配光镜、挡光板以及复杂的计算程序, 设计周期短、配光效果好, 给出的配光模拟照度值完全符合最新出台的GB4599-2007标准。

研究了光电导天线产生太赫兹波的辐射特性, 采用时域有限差分方法(FDTD)来模拟计算光电导偶极天线的辐射特性, 并在计算机上以伪彩色图进行了图形显示。采用电偶极子天线模型, 以0.1THz电磁波为例计算了天线辐射的特性参数, 得到天线的辐射电阻为790Ω, 方向性系数为1.5。结果表明, 光电导天线可以采用偶极天线的理论进行计算, 可以通过提高电长度来增大辐射电阻, 从而提高太赫兹的辐射功率。

在理想电磁环境中对姿态测量元件电子罗盘进行了校准, 给出了校准所需的标准参数设置。分别对电子罗盘在理想电磁环境与单交变磁场环境中以及二重及三重交变叠加磁场环境下的姿态角输出进行了对比分析, 实时测量了两种典型状态下罗盘局部交变干扰磁场强度并绘出二维交变图。结果显示：随着交变干扰磁场强度的增大, 3个姿态角输出精度均呈降低趋势。尤其是航向角最为严重, 这与其特殊的敏感原理吻合。文末给出了精度变化的电磁数据原因。提出了避免罗盘精度降低的方法。

针对目标和背景的面积相差很大时, 最大类间方差阈值法(Otsu阈值法)得到的阈值是“有偏”的, 从而造成阈值图像分割失败的问题, 提出一种最大散度差准则的阈值图像分割方法。最大散度差准则以广义散度差——类间方差减去C倍的类内方差作为分离性度量, 同时考虑类间方差和类内方差在可分性中的作用, 可有效克服最大类间方差阈值法(Otsu阈值法)的阈值“偏移”现象。实验结果表明：通过选择适当的参数C, 该方法能得到比最大类间方差法更好的分割结果。

为提高由闪烁屏到CCD的光耦合效率, 减小大相对孔径和近距离成像造成CCD图像严重失真, 提出一种有效补偿图像失真的预处理方法。该方法根据物像共轭关系将物面划分为与图像传感器像素相对应的许多微小物元, 应用蒙特卡罗方法模拟从每一物元发出的光在像面上形成的光分布, 即点扩散函数。由所有物元的点扩散函数构成一个点扩散数组, 数组的每一行对应一个物元的点扩散函数。基于该点扩散数组建立描述像元与物元关系的线性方程组, 解线性方程组可得到接近实物的图像。用实际光学系统的计算结果验证了该方法的有效性。

QR码图像采集过程中会出现椒盐噪声, 为了在滤除图像椒盐噪声的同时能很好地保持图像的细节, 将几种常用中值滤波方法应用到QR码的图像预处理中, 进一步对其结果进行比较, 得出QR码图像中值滤波的规律。据此提出利用窗口系数的新中值滤波方法, 先二值化, 然后进行基于滤波窗系数的中值滤波处理, 经过实验比较找到一组系数。实验结果表明：将该系数的中值滤波用在QR码图像预处理中可以大大提高译码的效率和准确率。在加噪一定情况下, 实验的识别率达到了100%。

从耦合模理论和传输矩阵方法出发, 介绍了一种设计复杂光纤光栅的有效的简单方法。该方法只考虑光栅内部的一级反射, 发现滤波器的反射谱和FBG的耦合函数间存在近似的傅里叶变换关系, 能简单快速地对弱反射光栅进行设计。该方法的有效性通过设计光纤通信系统中常用的两种色散补偿器得以体现：第一种色散补偿器的色散值在3dB带宽内恒为17ps/nm, 另一种则为具有线性色散斜率的色散补偿器。数值仿真结果表明：此方法可以有效地从反射信息中提取光纤光栅参数, 能够应用在利用光纤光栅反射特性的复杂滤波器的设计中。

简要介绍了OCDMA系统的原理, 分析了码型和码容量、地址序列的扩频作用对OCDMA安全性的影响, 结合完全无差错探测几率给出完全探测到正确地址码所需探测次数的期望值, 并以此重点分析了码字探测对OCDMA安全性的影响, 比较分析了OCDMA技术与现代光纤保密通信技术的关系, 给出了增加OCDMA系统安全性而采取的一些措施。

针对平板显示技术最新进展和技术特点, 提出利用光学移像技术实现平板显示屏无缝拼接显示的方法。采用隔行/隔列或分时显示技术, 在平板显示屏邻近边框区域设置重叠显示区显示2幅图像, 借用偏振光旋转装置与偏振反射膜, 实现图像的分离。通过斜方棱镜将分离出的图像引导至显示器件边框位置覆盖边框, 将原来36mm宽的拼接缝减小至3条不到0.5mm宽的棱镜拼接缝, 实现了平板显示屏的无缝拼接。

在线结构光三维测量中, 线结构光光条中心的提取是关键的一步。针对强背景光大视场下线结构光光条(长度约2m)中心的提取, 提出了一种基于感兴趣区域(ROI)的光条中心提取方法。首先用统计的方法确定图像处理的ROI,再在此区域内用最大类间方差法进行阈值分割并用灰度重心法提取中心。 结果表明：在Visual C++ 6.0平台上, 处理一帧1280×1024大小的线结构光条图像大约用时47ms, 且光条中心提取精度高。这种提取中心的方法很好地减弱了大视场下强背景光的干扰, 提高了光条中心提取速度。

探讨一种基于立体视觉的风洞模型姿态测量新方法。在模型壳体上安装一个可生成2根双向准直激光束的合作目标, 然后将模型安放在两个幕墙之间。投射在幕墙表面的激光束生成4个指示光斑, 借助于立体视觉技术测量出每个指示光斑在世界坐标系内的3D坐标, 然后根据向量的坐标变换原理确定风洞模型的姿态。给出了确定模型姿态的解析表达式, 此外在实验室环境下对该方法作了验证, 初步的实验结果表明：当幕墙间距约为6m时, 姿态角的最大测量误差不超过0.05°。

针对目前农药残留难以实现快速准确检测的问题, 利用人工神经网络方法对啶虫脒农药残留测量中的荧光混合光谱进行分离,设计了能够快速检测固体表面啶虫脒农药残留量的荧光光谱测量系统。根据反向传播算法, 应用三层人工神经网络原理, 对荧光光谱严重重叠的啶虫脒和滤纸混合体系进行啶虫脒残留量检测。在340nm～400nm范围内, 以20个特征波长处荧光强度值作为网络特征参数, 经网络训练和测试, 啶虫脒浓度为40mg/kg和90mg/kg的回收率分别为102%和97%, 测定结果相对标准偏差分别为1.4%和1.9%。实验结果表明, BP神经网络辅助荧光光谱法测定滤纸上啶虫脒农药残留, 具有网络训练速度快、检测周期短、测量精度高等特点。

针对常规指纹细节特征提取算法不足的问题, 提出了一种有效的指纹细节特征提取算法, 即在细化图像上直接提取原始细节特征点, 得到初步的特征提取结果, 然后根据图像的伪特征点分布规律, 将伪特征点删除, 最终保留真实的特征点集。实验结果表明, 此算法能有效消除各类伪特征点并且有效地减少计算时间。

如何在确保边缘精确定位的同时, 最大程度地抑制噪声以及图像灰度不均匀所产生的伪边缘点, 是当前边缘检测所面临的难题。针对此问题, 提出了多尺度张量的边缘检测算法, 这种算法可以在不同尺度下获取更丰富的局部结构信息。选取适当的阈值, 滤除噪声点和伪边缘, 从而得到细节丰富的边缘。实验证明该方法得到的边缘细节丰富, 且抗噪声性能较好。

天空光辐射亮度是大气光学特性的重要参数之一, 在空间目标探测与识别中有着重要作用。为了获取天空光辐射亮度, 评价光电系统探测跟踪空间目标的能力, 设计实现了一套天空光辐射亮度测量系统, 详细介绍了光信号收集和信号探测部分的工作原理, 及系统所应用弱辐射信号探测、辐射计量等关键技术。通过该套测量系统的初步应用及对测量结果分析表明：利用该套测量系统能够准确获取天空光连续光谱(光谱范围从380nm～1100nm)数据, 为应用研究提供了更多的光谱信息。

鉴于数字水准测量时, 线阵CCD采集信号使视场和分辨率受视距大范围变化的制约, 水准仪编解码困难, 提出一套新的编解码方案, 采用混合编码, 基于面阵CCD接收器, 利用二维信号的优越性, 解决视距太小不能满足条码样本数与视距太大图像分辨率低的矛盾, 研究水准测量的技术核心问题, 并通过算法优化, 达到实时在线测量的要求。测试结果表明, 测量范围为2m～10m时, 测量绝对误差在-1mm～1mm之间, 证明了所提出的编解码方法的正确性与可行性。

为了能实时而准确地检测药筒质量是否合格, 通过无损检测的方法, 首先获取药筒的X射线图片, 然后对其采取一些预处理算法, 以提高图像的信噪比, 并对图片内部特征分别采取文中提出的局部平滑度的极小值算法和局部均值极小法, 提取相应的特征参数, 并将其与标准的特征参数比较, 进而可以判断药筒质量是否合格。该算法具有快速、准确、高效的优点, 在现场测试中取得了很好的实际应用效果。

针对频域光学相干层析(SD-OCT)系统特有硬件(线阵CCD及分光光栅)参数对成像质量造成的影响, 展开了对基于光纤的频域OCT系统中硬件参量的模拟和优化工作, 分析了分光计中CCD线列阵像素数及数字化深度、CCD安装偏差等因素对OCT成像质量的影响, 并对光谱像素图定位进行了修正。研究表明：纵向分辨率不受CCD线列阵像素数的影响, CCD线列阵像素数的增多将线性地增大最大测量深度; CCD数字化深度小于6bit将直接导致系统纵向分辨率的锐减; 线阵CCD偏离聚焦透镜焦面将导致点扩展函数的强度减弱、系统分辨率降低; 在较小角度内转动CCD, 将使纵向分辨率得到提高; 采用氖灯光谱进行像素图定位校正之后, 可以相应地提高系统分辨率。部分模拟结论得到实验验证。采用此模拟优化结果, 可根据OCT成像的具体要求对系统硬件参量进行优化选择。

研究了一种混合掺铒/铒镱共掺光纤放大器, 用掺铒光纤放大器作为输入信号的预放大器, 用铒镱共掺双包层光纤放大器作为主放大器。掺铒光纤放大器采用20m长掺铒光纤作为增益介质, 采用最大输出功率318mW的单模半导体激光器二极管作为泵浦源, 预放大器获得的最大输出功率是113mW。铒镱共掺光纤放大器采用14m长铒镱共掺双包层光纤作为增益介质, 采用2个915nm多模半导体激光二极管作为泵浦源, 在输入信号功率为10mW、信号波长1555nm时, 混合光纤放大器获得了最大输出功率为32.04dBm, 即1.6W, 与此相应的混合光纤放大器的光-光转换效率为18.5%。

对内包层截面为六边形的国产掺Tm3+双包层光纤的光谱特性进行了较全面的实验研究。在1064nm激光泵浦下, 观察到掺铥光纤发出明亮的蓝光, 对其上转换谱进行了测量, 并分析了产生的机理。在785nm LD泵浦下, 测量了光纤的荧光谱。选用3种不同透过率的输出镜, 对长度分别为4.5m和2.2m的掺Tm3+光纤实现了2μm波段的激光输出; 利用红外光谱仪测得了激光波长。实验获得最大输出功率达到5.1W, 斜率效率41.9%, 并对实验结果做了分析。

采用等效折射率的方法, 以金、银、铜作为金属材料, 计算了入射波长为1550nm时, 2种不同结构金属包覆波导的几何色散关系、场分布特征及损耗情况。采用金属为衬底的非对称包覆结构进行计算, 结果表明TE模的特点与全介质波导的情况类似。采用双面金属对称包覆结构进行计算, 计算表明TM0模由金属-介质界面处的表面模对称结合而成, 其等效折射率不在导模的范围之中, TE模和TM1模等效折射率的范围大于全介质波导的情况, TM1模由金属-介质界面处的表面模反对称结合而成。

针对有机发光器件需要提高发光效率问题, 利用其最高被占用分子轨道(HOMO)有利于改善空穴注入的特点, 将氧化钼(MoO3)插入m-MTDATA与NPB之间; 将羟基喹啉锂(Liq)掺入4,7-联苯-1, 10-邻二氮杂菲(Bphen)作n型电子传输层,制备具有空穴缓冲层和n型掺杂电子传输层的有机电致发光器件。通过单载流子电子器件J-V曲线的比较, 将掺杂质量分数确定为w(Bphen)∶w(Liq)=65∶35。在完整器件中, 随着MoO3厚度的增加, 器件效率改善显著, 当MoO3厚度达到1nm时, 器件性能最佳, 此后趋于饱和, 对厚度变化不敏感。说明使用MoO3及n型掺杂后空穴及电子的注入传输均获得明显提高, 并在发光区域达到有效平衡, 器件的亮度及发光效率获得明显改善, 与控制器件相比, 电流效率、功率效率及亮度分别提高约62%、约98%和约60%, 电压V下降了约28%。

利用聚合物材料折射率和温度变化之间的内在联系, 设计了一种并联双环温度传感器系统, 并数值模拟了以该模型为基础的聚合物材料并联双环型温度传感器。从输出的模拟波谱可以得到, 随着温度的变化, 输出光谱的谐振峰出现明显的位移, 对于热光系数较大的聚合物材料, 谐振峰的位移更加明显。温度升高1℃, 谐振峰的位移为32nm。通过谐振峰的位移, 可以计算出温度的变化, 进一步提高测量温度的精确度。

为了改进白光顶发射器件的色纯度, 使用高折射率的材料MoOx作为光输出耦合层, 通过对器件的减反射膜厚度的优化, 制作了硅基顶发射有机白光器件。器件结构为Si/Ag(60nm)/MoOx(2nm)/NPB(50nm)/DPVBi(7nm)/rubrene(0.2nm)/Alq3(43nm)/LiF(1nm)/Al(1nm)/Ag(20nm)/MoOx。并结合实验, 优化了减反射膜的厚度。随着MoOx厚度的增加, 在460nm左右的蓝光区域出现了一个明显的发光峰, 色坐标逐渐向白光等能点(0.33,0.33)靠近, 实现了对白光色度的调节, 制作出了高效率的白光顶发射有机电致发光器件。

建立了偏振光空间传输前向散射的物理模型。对各向同性散射介质, 在非相干性假设条件下, 导出了偏振光双散射和多散射前向散射的有效Mueller矩阵, 给出了偏振光Mie散射前向有效Mueller矩阵各矩阵元之间的对称性关系, 即Mueller矩阵的16个矩阵元中只有7个是独立的, 其他9个矩阵元通过组合及一定角度的旋转即可得到。利用Monte Carol方法模拟了偏振光在空间传输10 km的前向散射的有效Mueller矩阵, 模拟结果表明各矩阵元存在一定的对称性关系, 与基于本模型导出的偏振光前向散射的有效Mueller矩阵元具有较好的一致性。

为了提高信号光与抽运光在时域上的匹配, 提高放大系统的增益, 提出了三通光参量啁啾脉冲放大的方法。实验中, 信号光在一块晶体内被一抽运光在完全相位匹配的条件下放大了三次, 总放大增益为3.7×107, 能量晃动小于3%rms, 放大后的信号光谱宽为30nm, 压缩后的信号光脉宽为82fs。实验结果表明：采用三通光参量啁啾脉冲放大方法, 有效地抑制了放大过程中参量荧光对放大过程的影响, 在抽运光强为350MW/cm2时, 参量荧光仅占输出总能量的1%。

通过建立光动力治疗过程中激光、光敏剂、氧及其相互作用关系的数学模型, 对组织中光动力剂量进行了模拟, 研究了光动力剂量在组织内部分布变化的规律。模拟了激光剂量为50mW/cm2、100mW/cm2、150mW/cm2, 光敏剂质量浓度为10mg/kg、20mg/kg、40mg/kg时光动力剂量变化。研究发现光动力剂量在组织内分布是非线性的, 大小受激光强度、光敏剂剂量、氧浓度和组织光学参数等因素的影响, 且光敏剂浓度的变化对光动力剂量变化的影响尤为明显。