在基本的开普勒望远系统光路中, 放置了两块与光轴成45°角的镀膜平板玻璃, 一块能反射中心波长1550nm的红外光, 同时透射可见区和中心波长1310nm的近红外区;另一块能反射中心波长1310nm的红外光, 透射可见区。增加了控制光光路和信号光光路, 节省了光路元件。分析了平板玻璃对可见光路的影响, 通过改变平板玻璃的厚度, 使得轴上偏差在允许的范围内。测定了信号光通过望远镜筒和镀膜反射镜片的功率损耗, 分别得到了1.31%和2.90%的损耗比。测量了信号光的透射率随角度的变化关系。经过多次试验, 三光路共轴望远系统已成功用于远距离红外光控音频监测。

机械补偿式变焦距镜头以其自身的优点受到了广泛的关注和应用。介绍机械补偿式三组元连续变焦系统的基本工作原理及组成, 根据实际使用要求, 设计出保证变倍过程中变倍组和补偿组按一定函数规律运动的圆柱凸轮结构、导向机构及相应的加工工艺, 从变倍运动方程和设计的变焦结构形式出发, 分析变焦过程中焦距实时输出的实现方法和存在的问题, 并提出相应的解决措施, 对焦距值实时输出精度的提高以及变焦距镜头的设计和装调具有借鉴作用。

为了利用可见光波段和长波红外波段所蕴含的不同信息进行数据融合和实时彩色显示, 设计了一种大视场的单通道双光谱R-C结构。双谱光学系统的具体结构为R-C系统加校正镜, 采用主镜后分光, 利用二向分光镜反射可见光波段, 透射长波红外波段。全视场角和相对孔径分别为5°和1:1.7; 次镜遮拦比为1:3; 光学系统在可见光波段MTF=0.60的成像质量对应的空间频率为50lp/mm, 在长波红外波段MTF=0.30的成像质量对应的空间频率为15lp/mm。对该系统的结构特点进行分析和讨论, 给出了各种像差曲线和光学传递函数。

针对角度检测型表面等离子共振传感器结构复杂, 不易于实现在线测量的特点, 基于表面等离子共振(SPR)原理, 提出了采用双LED进行差分光强检测折射率变化的方法。设计了参考光路, 可以消除光源波动带来的影响。理论分析及实验表明, 这种方法比单LED光强检测方法的灵敏度提高了近1倍。由于没有使用角度检测装置及光谱仪, 易于实现仪器的小型化。

为了解决低速状态下跟踪转台在摩擦力矩作用下出现低速爬行现象, 以某光电跟踪转台为研究对象, 根据Lyapunov稳定性理论和自适应控制理论, 提出了自适应摩擦补偿方法。通过在经典伺服控制回路中增加摩擦补偿器, 以达到抑制低速爬行现象, 提高设备低速平稳性能。对比补偿前后转台的输出速度仿真曲线, 表明该方法能够有效地抑制低速爬行现象的产生, 提高转台的稳定跟踪性能, 适合于工程应用。

介绍了一种多光束无掩模光刻系统, 该系统利用空间光调制器数字微反射镜(DMD)对405nm的激光光束进行调制, 控制波带片阵列及纳米透镜阵列聚焦, 利用聚焦点阵配合纳米移动平台进行扫描光刻。介绍了该无掩模光刻实验系统结构及工作原理, 并给出了多光束光刻的实验结果。实验表明: 利用普通蓝紫光源和聚焦元件阵列可实现分辨率为400nm的多光束并行光刻。

为了节省稀有昂贵的冰洲石晶体材料, 采用冰洲石晶体与光学玻璃组合的方法, 设计了一种新型起偏棱镜。设计样品为ZBaF3玻璃中间加冰洲石晶体薄片的三元结构, 并通过大折射率液态胶合剂溴代萘胶合而成。该棱镜既可以实现o光的偏振输出, 又可实现入射光的90°转向。实验测试结果表明: 设计棱镜的透射比在80％以上, 消光比优于10-3。理论分析和性能测试均表明: 三元结构冰洲石-玻璃90°转向起偏棱镜在一般情况下, 可以取代相应的纯冰洲石晶体材料的偏光棱镜。

由于Zernike环多项式各项在环域上正交, 以此为基准可以得到Zernike圆多项式拟合环孔径波面求解Seidel像差系数的误差。为了对Zernike圆多项式与环多项式求解的Seidel系数进行准确的比较, 根据波像差理论推导并建立对比实验模型, 进行量化比较。比较对于具有较大遮拦比的环孔径波面采用Zernike环多项式拟合与采用Zernike圆多项式拟合求取Seidel系数的差别。实验结果表明, 采用Zernike圆多项式进行拟合求取Seidel系数时, 主要的相对误差存在于离焦、球差和慧差。9项Zernike圆多项式拟合求取的Seidel系数比36项Zernike圆多项式更接近Zernike环多项式求取的系数。同时, 如果参与拟合的项数继续减少, 求取的Seidel误差反而增大。

在对某型Q-MEMS(石英音叉陀螺)进行大量高低温环境试验的基础上, 根据试验数据, 建立了一种基于陀螺工作时间的零偏温度补偿模型, 并用该模型对新测的试验数据进行了预测补偿。补偿结果表明: Q-MEMS陀螺经该模型补偿后可以将零偏减小至少一个数量级, 并进一步提高了零偏稳定性, 有效补偿了陀螺上电后的启动漂移, 完全满足工程上的实时补偿要求。因此, 该模型具有很强的工程实用价值。

测试了Er/Yb:KY(WO4)2晶体在室温下3个轴Ng, Np, Nm方向上的吸收光谱, 分析比较光谱特性, 并计算出各能级跃迁的吸收截面, 其中沿Np轴方向有最强的吸收和较大的吸收截面, 这有利于激光上能级的粒子数堆积, 增大跃迁几率, 加强荧光输出。由于掺入Yb3+离子, 晶体在980nm附近有很强的吸收和较大的半峰宽。该晶体在980nm激光泵浦下有上转换绿光和红光, 3个晶轴Np, Ng, Nm轴方向的上转换荧光, 波峰位置相差甚微, 强弱区别明显, 且呈现的各向异性, 其中Np方向最强。

给出一种非球面人工晶体的设计方法。以Holladay角膜模型为基础, 设定其球差大小为非球面人工晶体球差值, 并在晶体位置发生移动及不同人眼瞳孔直径下, 对所设计的非球面人工晶体光学性能与球面人工晶体进行对比分析。结果表明: 当晶体植入人眼位置并且瞳孔直径相同时, 设计的非球面人工晶体所在人眼光学系统的MTF, 对比敏感度及离焦MTF的改善程度都明显优于传统的球面人工晶体, 人眼成像质量均随人眼瞳孔直径的增大而下降; 当晶体前移时, 晶体所在人眼光学系统的MTF均随瞳孔直径的增大而下降, 设计的非球面人工晶体仍表现出优于球面人工晶体的光学性能。

按照模块化设计理念, 提出以TMS320DM642芯片为核心器件的实时红外多目标图像处理系统的设计方案, 结合现场可编程门阵列FPGA完成对红外焦平面探测器输出图像数据流的实时采集、处理和输出。采用两级级联方式对多目标图像并行处理, 提高图像处理的实时性。实验表明该系统处理一帧320×240分辨率的图像平均需要耗时15ms, 保证了对多目标跟踪的实时性。

以Y-4合成孔径系统为基本结构, 分析和比较了不同填充因子Y-4系统的U-V平面覆盖、点扩散函数和调制传递函数特性; 用Zemax和Matlab软件对系统进行模拟成像, 利用维纳滤波和改进的维纳滤波对加噪图像进行复原, 使用峰值信噪比(PNSR)标准比较了不同填充因子Y-4系统的复原效果, 并分析了影响合成孔径系统成像质量和复原效果的因素。结论如下: 通过图像复原, 可以极大地改善合成孔径系统所成图像的像质, 提高图像的清晰度, 使得复原后的图像和其等效单孔径系统所成的像很接近, 实现大孔径成像系统的观测效果; 图像复原的效果与合成孔径系统的阵列结构和噪声类型有关。

为了能够及时检测到图像场景中的运动目标, 提出一种基于混合高斯模型的运动目标检测方法。借助把图像的像素值看成是前景高斯分布和背景高斯分布的组合, 进行了背景估计和自适应背景更新; 通过对背景差分后的图像进行多目标分割, 进行了多个运动目标的检测。实验发现: 随着图像序列的背景不断变化, 基于混合高斯模型算法能够准确估计出变化的背景, 通过将场景图像和背景图像进行差分, 检测到感兴趣的运动目标。

根据光线传输理论, 推导照明光源角度配置对水下成像图像质量的影响。在光源和摄像机与目标距离相同的条件下, 通过对图像衬度与信噪比传递函数的推导, 得到了在成像距离不变条件下图像的衬度和信噪比随光源角度变大而增大的规律, 并绘制出衬度和信噪比随光源角度变化的曲线, 还对推导过程中引入的主要假设和近似条件对结果精确的影响进行了分析。最后对光源角度配置对图像质量的影响进行了有关验证实验, 实验结果与理论结果一致。

介绍同态滤波器的基本原理, 基于Matlab软件,设计了适用的同态滤波器模型, 并给出了其表达式参数, 在此基础上, 将同态滤波方法应用到彩色图像的光照补偿和对比度增强中。结果表明: 经处理后的图像, 局部对比度增强效果明显,较好地保持了图像的原始面貌, 取得了预期的理想滤波效果。基于Matlab的同态滤波, 能更好地适合人眼的视觉特性, 提供了图像分析与判读的一种新方法。

为了解决灰度图像配准中由于目标函数容易陷入局部极值而造成的误匹配问题, 使参数随图像的NMI计算和多分辨率级数进行自适应调整, 采用基于小波变换多分辨率策略,形成多尺度匹配模型, 并将粒子群算法(PSO)作为添加算子, 提出了以图像归一化互信息(NMI)作为相似性测度的混合遗传算法, 对CT与MRI图像进行了配准。实验结果表明,该方法能够解决遗传算法早熟收敛问题, 有效地克服信息函数的局部极值, 实现图像的自动配准, 具有匹配精确、鲁棒性好及效率高等优点。

肺部轮廓提取是计算机辅助诊断(computer-aided detection, CAD)的关键之一, 并且能为医生提供可靠的诊断数据。提出了一种交互式肺部分割方法, 用优化的Gabor奇滤波器对胸片图像进行滤波得到边缘响应能量图, 然后用此边缘响应能量值来构造Live-wire代价函数进行肺部分割。实验表明该算法能正确区分强弱边缘,快速有效地提取出肺部轮廓, 与传统算法相比, 能减少人机交互次数, 更具鲁棒性和效率性的优点。

针对红外隐身材料光谱发射率测评的需要, 提出一种基于能量法的发射率测量模型, 并建立起固体材料定向光谱发射率测量装置, 能实现温度范围50℃～300℃与光谱范围1.3μm～14.5μm的固体材料定向光谱发射率测量。通过对试样进行实测, 得到不同样品在150℃和同一样品在不同温度下的光谱发射率曲线, 得出该材料发射率随温度变化的结论。最后分析了样品同黑体温度不等引起的误差, 给出温差为1℃和2℃时, 发射率相对误差随温度与波长的分布曲线, 以及不同黑体温度下3μm～5μm和8μm～14μm的平均相对误差值。

为了能够快速、准确判断药筒模块是否合格, 实现检测的自动化, 针对药筒模块中可燃性紧塞盖图像的特点和检测要求, 在研究经典相关系数匹配算法基础上, 采用了一种快速图像匹配算法, 即通过减少相关系数计算量和模板搜索范围, 在保证匹配准确度的前提下来提高图像匹配速度。实验和现场测试表明, 使用该方法, 匹配速度提高了近67%, 实现了图像的快速匹配, 软件误判率＜1%,满足实际生产要求。

针对粉末倍频测试过程中的信号溢出, 根据Kurtz理论和聚合物分散型液晶薄膜(polymer dispersed liquid crystal, 简称PDLC)的透光率对所加电场电压的响应原理, 提出PDLC调制入射基频光强, 进而控制测试信号的溢出。利用这一方法分别对碘酸钾、钒酸铯和钒酸铷等几种粉末样品的非线性倍频效应进行了测试分析。计算分析结果为: 碘酸钾能够实现相位匹配, 钒酸铯和钒酸铷不能实现相位匹配; 钒酸铯、钒酸铷的倍频效应分别约为氘化磷酸二氢钾(DKDP)的8.13倍和1.78倍。结果表明, 使用PDLC调制法所得的测试结果准确且操作简便。更重要的是, 此方法应用于定量测试倍频系数中, 可以有效提高测试精确度, 并且可应用于其他晶体非线性特性的测试研究。

为了从理论上统一射线光学和导波光学关于多模光纤中各模式场传播过程中时延的论述, 试从介质波导理论出发, 根据模式的特征根U随光纤归一化频率R的变化关系, 在弱波导近似下导出了描述模式场相速Vp与群速Vg关系的重要结果: Vp*Vg=(c/n1)2。根据这一结果可以得出结论: 对于低阶模式, 由于相速Vp慢, 所以群速快; 高阶模式其相速Vp快, 所以群速慢。对于给定的光纤, 利用射线光学和波导光学进行了带宽估计, 2种理论计算结果的一致性, 印证了上述关系的正确性。

采用耦合模理论, 针对光纤芯层为矩形折射率分布的长周期光纤光栅, 分析不同模式间耦合对计算精度的影响。结果表明: 对于一阶低次包层模式, 偶次包层模式与光纤芯层基模的耦合常数要远远小于奇次包层模式与光纤芯层基模的耦合常数。因此, 在不影响计算精度的情况下, 可以采用忽略偶次包层模式的方法来提高计算速度。同时, 根据不同的计算波长范围和计算精度的要求, 可以选择合适的正弦折射率调制阶数范围来减小计算工作量。

应用侧边抛磨光纤的倏逝波原理, 用光电探测器对光纤侧边抛磨区出射光能进行监测, 根据理论和实验分析光纤侧边抛磨区出射光能分布, 将具有特殊U型侧边抛磨形状和适当抛磨深度的侧边抛磨光纤与光电探测器精密微封装, 制成基于侧边抛磨光纤的全光纤在线光功率监测器。测试表明: 此全光纤在线光功率监测器对光纤传输的光功率响应特性好, 监测器光电转换效率可达200mA/W以上。测试了器件的插入损耗、波长相关损耗、波长相关光电转换效率和偏振相关损耗等。其波长相关损耗和偏振相关损耗分别为0.3dB(1520nm～1620nm)和0.07dB(1310nm)。此器件具有对光纤纤芯无破坏、光路中无插入元件、可与光纤系统直接熔接等诸多优点。

光路系统的偏振误差极大地制约着光纤陀螺精度的提高。利用相干矩阵和琼斯矩阵对光纤陀螺中光学器件和熔接点的光学参数进行描述, 建立了干涉式光纤陀螺光路系统的物理模型。与之前相关文献报道相比, 该模型所表达的光路系统更加接近于工程实际。在此基础上, 提出一种分析光学器件和熔接点缺陷, 以及光路损耗对光纤陀螺偏振误差影响的新方法。该方法可以有效地分析光路系统缺陷对零偏和标度因数的影响, 在工程上可作为评价干涉式光纤陀螺光路系统性能的一个途径。

利用光纤3层模型理论, 通过仿真研究发现长周期光纤光栅结构参数与透射谱的变化有规律性关系, 给出了一阶低次包层模与导模耦合时透射谱的变化规律。当长周期光纤光栅的纤芯、包层的半径和折射率增大时, 谐振波向短波方向漂移; 当长周期光纤光栅周期增大时, 谐振波向长波方向漂移; 当长周期光纤光栅长度增加时, 谐振波没有漂移现象, 但是其深度减小。通过综合分析发现: 谐振波漂移方向比较明确, 但是损耗峰深度的变化并没有明显的规律。

为了分析薄片激光器的热效应, 建立了LD端面泵浦薄片激光介质的数值模型。考虑到介质与空气的对流换热和介质材料的热力学参数随温度的变化, 根据经典热传导方程和热弹性方程, 运用有限单元法, 得出了介质内温度和热应力的时空分布, 分析了温度和热应力与泵浦功率、换热系数和时间的变化规律。模拟结果表明: 热破坏主要为前表面光斑外侧的拉伸破裂; 温度和应力的上升时间和热恢复时间随泵浦功率的变化不是很明显, 随换热系数的增大而减小, 但随着换热系数的增加, 温度和应力的变化越来越小。

Pound-Drever-Hall(PDH)稳频方法涉及光学和电学2个部分,综合仿真较为困难。针对该问题, 设计了PDH的电路部分。根据器件的工作原理, 采用电路模型搭建光学元件。在此基础上进行了器件的单独仿真和开环PDH光、电综合仿真, 仿真使用长度为15cm, 腔镜反射率为0.97的Fabry-Pérot腔(F-P腔), 并采用20MHz的调制频率。仿真结果表明: 器件模型搭建合理; 激光器在无频率漂移时, 系统输出较小幅度的零漂移信号; 在频率漂移为5MHz, 10MHz, 15MHz时, 系统输出较为理想的误差信号。最后对仿真结果进行了讨论, 并提出了改进方案。

为了消弱散斑噪声, 提出了最优化的斑纹减弱方法。给出采用最少数量的位相分布模式产生最大的斑纹减弱效果的位相型光学元件应满足的条件, 证明了此位相分布格式可以由阿达姆矩阵的行或者列得到, 并以绿光为例验证了所设计位相型衍射元件的斑纹减弱效果显著, 采用衍射元件调制前后散斑对比度由8.4%减弱到2.7%。

基于光强二阶矩理论, 推导出非傍轴洛伦兹光束的远场发散角、近场发散角、束腰宽度以及光束传输因子的解析表达式, 并通过数值模拟, 得到它们与对应束腰宽度以及波长的关系。结果表明: 与非傍轴高斯光束相比, 在满足二极管激光器物理机制的条件下, 非傍轴洛伦兹光束更符合二极管激光束的实际情况, 因此, 非傍轴洛伦兹光束更适用于描述二极管激光器等光源尺寸小且发散程度较大的激光光源。

基于最优化思想研究磁流变抛光驻留时间算法。将驻留时间反卷积运算变换成矩阵运算, 以实际加工要求为约束条件, 建立关于驻留时间的最优化数学模型, 利用最小二乘逼近和最佳一致逼近数学解法器对优化模型进行数值求解。仿真结果显示: 该算法收敛幅度大, 计算效率较高, 所求解满足数控加工要求。在自行研制的磁流变抛光机床上进行抛光实验, 对有效口径为50mm的圆形平面工件, 经过4.7min抛光, PV值从0.191λ降至0.087λ, 收敛54.5%, RMS值从0.041λ降至0.010λ, 收敛75.6%。

基于金属表面等离子体空间局域非辐射特性, 利用电磁场仿真软件EastFDTD和时域有限差分法(FDTD)设计了一种新型滤波器。通过金属谐振环结构中内径分别为175nm和145nm金属环对谐振波长的调控作用, 在中红外波段不同端口实现了分别输出1.85μm和1.58μm波长的信号, 相邻端口之间的串扰可以达到-19dB, 同时输出端口的结构尺寸仅为50nm。计算结果表明该新型滤波器在滤波性能和器件小型化集成化方面均具有显著优势。

系统研究入射光为不同偏振态时的准相位匹配线性电光效应。在准相位匹配条件满足时, 若入射光为线偏振光, 则o光与e光能够彻底耦合, 出射光仍为线偏振光, 且其偏振方向可以通过外加电场调节到任意角度; 若入射光为椭圆偏振光, 则o光与e光不能彻底耦合, 输出光为与输入光同椭圆率的椭圆偏振光, 其椭圆方位角可以通过调节外加电场旋转到任意角度; 若入射光为圆偏振光, 则o光与e光之间没有能量耦合, 输出光仍为圆偏振光。准相位匹配条件满足的线性电光效应在保偏的偏振旋转器中有重要应用。在准相位匹配条件不满足时, o光与e光由于相位失配而没有能量耦合, 输出光的偏振态取决于o光与e光的初始相位差和双折射(自然双折射和电光双折射)引起的附加相位差, 特别是极化占空比为0.5时, 电光效应引起的双折射总效果为零。

为探讨调频场导致的量子效应的物理本质, 运用密度矩阵方程和布洛赫矢量模型, 对调频场作用下二能级原子系统中的粒子布居几率振荡现象进行了理论分析, 讨论了光场调制振幅对振荡过程的影响。理论计算结果表明, 光场调制振幅对粒子布居转移和几率振荡有较大的调制作用。当其他参量不变时, 随着调制振幅的增大, 粒子布居几率振荡减弱, 布居转移效率增高, 吸收增强。布洛赫矢量分析表明, 该振荡过程是系统粒子数转移、吸收和极化三者之间的动态变化过程。

基于扩散效应, 研究了启动光强对双光子光伏光折变介质中亮光伏空间孤子自偏转特性的影响, 将亮光伏孤子作为入射孤波, 采用数值方法求解含扩散项的波演化方程。结果表明: 随着启动光强度的加大, 孤子强度的半峰全宽逐渐增加; 孤子中心的自偏转距离随着启动光强的加大开始有所增加, 达到一定值后, 随着启动光强的继续加大而逐渐减小, 得到孤子中心自偏转距离与启动光强之间的非线性关系源于孤子半峰全宽和扩散项二者的共同作用的结论。