为方便操作员快速捕捉并瞄准目标, 提出一种适用于机载光电观瞄系统的线性运动补偿方法。该方法借助地面目标相对载机在初始‘东北天’坐标系下的速度矢量进行分解, 得出目标相对光电系统在惯性坐标下的角速度, 并根据解算出的角速度值实时进行伺服补偿, 驱动光电转塔于手动模式下, 当操作员不操控光电转塔时, 系统的瞄准线能够自动地指向地面目标区域。该方法已在某型无人机用光电观瞄系统挂飞试验中进行了验证, 结果表明: 在电视观瞄具的小视场(0.7°×0.5°)下, 地面目标点、瞄准线指向点相对载机点的张角在方位和俯仰方向均小于该视场的1/6。

提出了一种在倾斜刃边法的基础上进行部分改进的方法。该方法由Canny算子检测采集到的图像中的刃边分割位置, 结合刃边图像直方图呈双峰性的特点, 利用类间方差最大化阈值分割算法(Otsu)计算对Canny算子性能具有决定意义的高阈值。以刃边区域中每行的质心为ESF中心位置, 以0.1亚像素间距对Canny检测下每一行的分割位置及其刃边邻域像素进行离散采样, 将获得的二维刃边信息数据沿着刃边方向整体投影成一维数据, 得到提高采样率下平均处理的ESF。增加了测量结果的信噪比, 运用该方法进行了实验室CCD相机整机系统的调制传递函数测试, 对实验中影响MTF测试精度的因素进行了分析。实验测得在奈奎斯特频率处与理论值误差在5%以内。

设计了基于波前相位编码板的轻薄手机镜头, 原始成像系统的焦深大小是0.017 mm, 使用立方相位编码板, 采用基于斯特列尔比的相位板优化方法, 保持了在不同离焦位置成像系统MTF的稳定性, 最终成像系统设计焦深达到0.136 mm, 焦深扩展了8倍, 经过Zemax软件仿真, 验证了景深延拓的效果。设计结果表明, 使用相位编码板即可增大定焦距手机系统的景深, 使得系统结构紧凑, 又克服了视场效应。

为保证加工精度和提高抛光效率, 推导了盘式动压抛光所用的环形抛光盘在平转动运动方式下的去除函数。在平转动运动方式下, 与应用最为广泛的圆形抛光盘相比较, 环形抛光盘的最大趋近因子提高了10.25%, 更加趋近脉冲函数的特性, 减少光学元件表面的中高频误差。给定初始面形误差, 以相同的参数采用脉冲迭代法计算驻留时间和残留误差, 经过50次迭代, 仿真加工结果表明, 环形抛光盘相比于圆形抛光盘的表面残留误差降低了3.65%, 提高了抛光去除效率。

陷波滤光片在抗激光损伤、激光防护和光电对抗领域应用广泛, 如何提高其通带透过率, 降低陷波点透过率是研究热点之一。基于Rugate理论设计了400 nm~2 500 nm波段1 550 nm陷波滤光片, 分析了Rugate折射率函数各参数对光谱性能的影响。采用PECVD技术在K9玻璃基底上镀制了单面的1 550 nm陷波滤光片, 通带的平均透过率达到88.54%, 在1 550 nm处的透过率为3.62%。

为实现敦煌莫高窟文化遗产数字化保护, 设计了一套基于四目系统的真实场景三维建模方法。针对双目立体视觉系统特征点匹配精度不高的问题, 构建了一种四目立体视觉系统, 并设计了与之相适应的高精度立体匹配策略, 运用四目系统的冗余设计和自检验功能, 可以获得高精度的空间点云数据。针对Delaunay三角化结果中不相关目标的错误连接问题, 增加三角形边长分别在图像坐标系和世界坐标系中的约束条件, 抑制错误三角形, 该条件可根据点云数据分布特征自适应获取。该系统已被运用到莫高窟第172窟的三维重建中。结果表明: 该系统可以重建多目标、深度变化大的复杂场景, 172窟的有效点云为41 649点, 三维建模时间约为0.5 h。

实际应用中的薄膜或多或少存在体折射率不均匀缺陷, 其准确表征对于镀膜工艺参数调校、低损耗薄膜设计与制备分析等具有影响。从Schrder近似出发, 推导了体折射率弱不均匀薄膜的膜系特征矩阵, 通过特征矩阵法推广, 建立了体折射率弱不均匀多层膜光谱特性计算的近似模型。利用基于有效介质理论的多层均匀膜近似方法, 讨论了上述近似模型的有效性、计算精度和时间消耗特性。结果表明, 上述模型矩阵计算中引入体折射不均匀度这一参数, 为多层膜体折射率不均匀缺陷反演提供了一种有效的手段, 为基于宽带光谱测量数据拟合的膜层缺陷数值反演应用奠定了基础。

为了提高固态体积式真三维立体显示器的显示亮度, 根据方棒照明系统的特点, 设计了一种基于直流驱动、平行光出射的双灯照明系统。该设计根据光学扩展量守恒原理, 提出了一种通过延长投影光源汇聚距离的方法以实现双灯照明。通过光学仿真分析, 对设计的双灯方棒照明系统进行优化, 提高方棒照明系统的光能利用率和照明均匀性。搭建实际系统, 并进行了测试。测试结果表明: 采用双灯直流汞灯照明后, 2层散射态光阀后的成像亮度为41 711 cd/m2, 是单灯的1.4倍, 有效提高了固态体积式真三维显示器的成像质量。

通常反射器照明器件结构对面光源出射光线难以有效控制, 用透镜又存在不可避免的色散问题。采用面光源置于反射器杯口, 出光面背对目标面的结构, 提出一种分点、分区控制光线的自由曲面反射器的设计方法。利用有限元法划分面光源, 将微面光源视为点光源, 根据矩形匀光照明配光条件, 建立面光源与目标面的能量对应关系。根据微分几何理论和Snell定律, 建立反射器的数学模型, 只要给定参数, 无需进行反馈优化, 即可用Matlab软件给出自由曲面反射器的数值解。以台灯照明为例, 用光学设计软件对其性能进行了模拟应用分析, 结果表明, 在有效照明区域内均匀度可达到80%以上, 光能利用率达到90%。

为了拓展海洋光学参数的激光遥感测量手段, 借鉴高光谱分辨率多普勒激光雷达对大气散射信号的测量机制, 提出了一种利用激光雷达水下后向散射信号测量海洋固有光学参数的新方法。在原理方面, 描述了测量系统的组成和利用碘分子吸收滤波器实现水分子瑞利散射信号和悬浮物米散射信号的光谱分离测量方法, 在结论方面, 给出了利用海水激光后向散射信号实现海水悬浮物后向散射系数和海水体消光系数的具体反演算法。

平行光束或者激光束在光轴方向上照射焦平面成像系统时会产生猫眼效应, 焦平面探测器安装的正交性与离焦量直接影响猫眼回波的光学特性, 进而影响基于猫眼效应的探测系统的性能。针对猫眼效应中离焦量与后向反射光束发散角之间关系, 利用物理光学进行分析, 建立理论模型, 对焦距为0.18 m的焦平面探测成像系统进行数值计算得到: 在离焦量为0.16 mm时, 发散角最小(0.019 mrad)。搭建实验系统, 测试离焦量与猫眼回波发散角, 测得离焦量在0.15 mm附近存在最小的发散角为0.025 mrad, 与计算结果0.019 mrad基本吻合。研究表明: 1) 负离焦对发散角的影响大于正离焦; 2) 猫眼回波发散角基本上随着离焦量绝对值的增加而变大, 但是变化曲线并不关于零离焦量点对称, 而是在某个正离焦处存在一个最小发散角。

为比对全积分球和半积分球在光路传输、输出信号上的差异, 根据积分球基本原理分别建立了全积分球和半积分球的光学传输模型, 推导了两种积分球在光纤探测方式下的输出信号强度表达式, 并从理论和实验上对这两种积分球的探测性能进行了比对。结果表明, 全积分球与半积分球的输出信号和探测灵敏度均与积分球涂层反射率、积分球半径、光纤数值孔径角有关; 半积分球性能是否优于全积分球取决于漫反射涂层以及平面反射镜反射率的选取。当理想情况下平面反射镜的反射率等于1时, 半积分球的信号强度是全积分球的2倍。

基于几何光学理论及Debye理论, 研究圆形截面微通道这一双层圆柱产生的双一阶彩虹现象。由于全反射现象, 双一阶彩虹并非始终存在, 故通过数值模拟, 得出内外径比的临界值来判断双一阶彩虹的存在性。当双一阶彩虹存在时, 双一阶彩虹中的β彩虹总是可被观察到; α彩虹在某些情况下会因光强较弱而被淹没在以二阶彩虹为主的其他散射结构中。研究发现α彩虹位于二阶彩虹主峰右侧时, 其可被观测到。为此分析α彩虹与二阶彩虹两者主峰散射角重叠这一临界情况, 进而提出判断α彩虹能否被被观测到的方法。最后, 构建实验系统, 以充满去离子水的高硼硅玻璃毛细管为对象进行实验研究, 通过CCD相机拍摄彩虹图像。结果表明, 毛细管内径为550 m、外径为600 m时, 其内外径比大于上述临界值0.7485, 故双一阶彩虹存在。但是由上述判断方法得出α彩虹无法被观测到, 这一结论与仅能从拍摄图像中获得β彩虹结构的现象相符。

为了满足EMCCD侦察探测装置的实际使用要求, 设计了一个三视场光学系统。系统采用EMCCD接收, 像元尺寸为16 μm×16 μm 。通过对比4种成像系统结构形式的优缺点, 选定三视场光学系统的初始结构形式, 运用CODEV软件对其进行优化, 实现600 nm～850 nm波段范围内三视场光学系统成像。设计结果表明, 三视场光学系统的传递函数MTF在35 lp/mm频率处均大于0.5, 点列斑直径均小于像元尺寸, 畸变均小于0.2%, 成像对比度满足使用要求。

基于图像压缩传感理论, 在手动式光学单点成像系统的基础上研究了自动式光学单点成像系统。主要介绍了系统中自动编码转盘的设计以及编码块的获取, 采用一系列优化的编码块图案作为测量矩阵, 并利用最小均方差线性估计(MMSE)重构算法进行实验。实验研究表明, 通过7.8% 低采样率即可实现对字符样本的重构。该自动编码转盘系统自动化程度较高, 误差较小, 而且可随意改变测量次数。

采用“非相似”成像原理, 利用Zemax光学软件设计了一款适用于160 cm(0.63英寸)3LCD数字投影机的球幕投影数字鱼眼镜头。镜头结构是一种反远距型光学结构, 由5组6片球面透镜组成, 具有结构简单、易加工等特点。镜头全视场角为180°, 焦距为3.28 mm, 相对孔径为1/1.9, 后工作距离为35.8 mm, 光学总长为196 mm。镜头具有较高的成像质量, 在50 lp/mm处, 各个视场的MTF值均大于0.4, 最大垂轴色差为4.5 μm, 全视场的F-theta畸变绝对值小于3%, 最大视场的像面相对照度达到96.27%。

为了满足交通监控对图像质量不断提高的要求, 设计了一款大孔径、大靶面、昼夜型光学系统。采用近对称结构, 调整第一组元结构参数, 平衡昼夜共焦面的设计思路, 较好地控制了垂轴像差和离焦量, 实现了大孔径、大靶面、昼夜型光学系统的设计要求。成像系统对可见光和近红外波长0.79 μm进行了双重组结构优化设计, 实现了日夜离焦量小于0.005 mm, 在空间频率为130 lp/mm时, 全视场MTF＞0.3。对该光学系统进行容差分析和讨论, 提出把控元件偏心公差可有效抑制由于生产制造使得实际成像和理论成像偏差过大等问题。

针对DMD数字光刻, 利用ZEMAX光学设计软件, 设计出了一套适用于型号 0.7XGA DMD的10片式光刻投影物镜。该物镜采用非对称性结构, 前组为改进的三分离物镜, 后组为匹兹伐物镜加平像场镜, 分辨率为2 μm, 近轴放大倍率为-0.15, 像方数值孔径NA为0.158, 全视场波像差小于λ/20 , 畸变小于0.014%, 焦深为20 μm, 通过各项评价可知系统已经达到了衍射极限。在对该镜头进行公差分析后, 利用Monte Carlo方法, 模拟组装加工了100组镜头, 得到90%的镜头MTF＞0.46, 50%的镜头MTF＞0.51, 证明了这种非对称性结构加工和校装的可能性。

多帧盲解卷积图像复原技术能够进一步提高自适应光学图像的分辨力, 但其算法比较复杂, 处理耗时过长, 对序列图像复原经常需要几分钟甚至几十分钟的计算时间, 对实际应用造成了极大不便。为了提升算法的运行速度, 改善其耗时过长的问题, 通过研究和分析盲解卷积算法原理和算法结构, 采用目前高速发展的中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)异构加速技术, 主要对耗时最长的矩阵卷积运算进行优化, 通过使用库函数与算法结构微调相结合的方法并行加速, 实现多帧盲解卷积的图像复原算法的并行化。使用并行算法对图像进行复原处理, 针对16帧以上分辨率为256×256像素的空间目标图像, 可以实现17×的加速比, 为图像复原的实时/准实时提供一种可行的方案。

单部光电的探测能力有限, 采用多部光电组网的方法能够提高光电探测的空域和时域覆盖能力。为提高区域防空光电组网的探测概率和对抗来袭目标的能力, 提出一种基于遗传算法的光电组网优化布站方法。建立区域覆盖能力最大化的优化布站数学模型, 利用遗传算法求解光电组网布站的最优方案, 给出组网各光电的位置坐标。通过Matlab编制相关遗传算法仿真程序, 经计算, 进化60代后, 得出最大区域覆盖能力为fmax=0.681的优化布站方案, 并绘制针对4类目标的光电探测覆盖区域图, 验证了方法的理论可行性。

在光学精密测量中, 相移干涉法应用广泛。常用的相移器件容易出现相移误差, 采用等步距相位提取算法会产生测量误差。基于最小二乘的迭代相位提取算法可以有效消除该类相位提取误差, 提高测量精度, 但是其迭代过程运行时间长, 效率低。提出了一种基于选择采样的迭代相位提取算法, 先对干涉图像进行等间隔抽样, 降低计算量; 再根据对比度滤除干涉图像中低质量像素点, 防止误差增大, 进行最小二乘迭代求解相位。仿真实验对算法进行了分析和验证, 在抽样间隔为2时的选择采样方法与所有像素点全部代入计算相比, 运行时间从6.687 s降为0.725 s, 均方根误差仅为0.032 9°。实验结果证明: 选择采样的迭代相位提取算法运算时间短、误差小, 非常适合高速相移干涉测量应用。

为了克服三维重建高度依赖标定板, 满足3D打印模型的工业需求, 提出基于图像自标定的高效3D打印模型生成方法, 无需借助标定板计算相机参数, 直接使用单相机采集序列图像进行三维重建。为了克服基于自标定方法易受图像质量和特征点匹配精确度的影响, 根据人机交互与自适应分割算法相结合的方法去除原始图像背景及过滤噪声, 使图像感兴趣区域特征更为明显, 采用快速稳定特征算法提取序列图像中特征点并根据特征点的匹配度进行精确的特征点匹配, 再使用匹配信息自标定求解得到相机模型参数, 最后根据相机模型以及特征点信息完成三维目标的稠密重建。实验结果表明, 自标定及重建方法对大小各异, 表面材质不同的目标均可实现重建。

为实现卫星遥感器地面定标中大气辐射特性的高精度观测, 研制了高精度、光谱式太阳辐照度仪。结合野外工作中仪器存在的衰减与损耗, 设计了适合于长期外场应用的自定标系统。自定标系统设计采用双通道镜像的方案, 利用基于球面镜的耦合镜实现光路的切换, 实现单色光进入棱镜。结合光路的设计方案, 采用步进电机带动反射镜切换光路, 同时利用单片探测器测量入射/出射光通量采集, 通过比值计算实现单波长下棱镜透过率的测量。在实验室内外进行了自定标的性能测试, 室内自定标结果的重复性误差为2.5%, 室内外透过率对比的相对偏差小于2%, 证明自定标系统可以用于户外仪器的监测与校正。

口径2 m的高质量平面反射镜可用于大口径光电设备像质评价和性能检测, 但受使用环境影响, 平面反射镜的面形精度不易长期保持稳定, 因此需要在使用前对其面形精度进行现场、快速校验, 而常规的全口径或子孔径干涉检测均难以满足上述需求。由于反射镜面形在制造过程引入的中高频误差已处于稳定状态, 环境扰动只引入低频像差, 而选择子孔径斜率扫描再重构波面低频轮廓的方法较适于面形精度现场校验。提出双五棱镜配合双测角仪进行子孔径斜率同步差分测量的方法, 可改善长测量周期内环境扰动引起的随机误差。并对测量设备光学、机械及控制系统进行设计, 提出采用2台S-H传感器代替传统测角仪用于子孔径斜率测量的解决方法。验证试验结果表明, 波面重构算法以及仪器测角精度可满足面形测量精度需求, 其与ZYGO干涉仪测量结果的互差小于20 nm(RMS)。

基于长基线透射式能见度仪分析了影响透射仪收发两端探测光路准直的因素。从透射仪的测量原理出发, 阐述了探测光路准直通过影响接收端接收光强进而影响透射仪探测精度的机制。仿真研究了透射仪收发两端探测光路准直出现偏差对接收端接收光强的影响。研究结果表明, 在一定大气能见度条件下, 透射仪的测量误差与接收端接收光强的测量误差成线性关系。透射仪收发两端的对准状态对透射仪接收端接收光强具有重要影响, 发射端姿态角每变化0.01°, 接收端接收光功率变化0.02 mW, 发射端姿态角变化会明显降低透射仪接收端接收光强, 增大接收端接收光强的测量误差, 对能见度的测量精度影响较大。

针对视频内窥镜的测量需求, 提出了一种基于线结构激光照射的测量技术。采用线激光作为定标光照射物体表面, 建立了线结构光成像模型, 标定了不同物距时的放大率和图像中线位置间的比例系数。通过构建测量平台计算了物体的几何参数, 实验结果表明测量误差在10%以内, 能够满足视频内窥镜观测和测量要求。

在局部成像检测过程中, 由于复杂零件外形轮廓或放置状态的不同, 使得零件与成像面坐标轴之间产生了一定的夹角, 造成获取的对称点集中存在非对称点集或对称点不存在的问题, 若采用传统Hough变换、拟合法检测装配同轴度存在较大误差。针对上述问题, 提出了装配同轴度的局部成像检测算法, 提取图像的上下边缘点集, 结合Hough线性变换, 统计两点集对投影到霍夫空间的参数空间点, 并搜索其累积数量的最大值点, 该点对应的对称轴即为最优对称轴。仿真结果表明, 该方法可以高精度地提取最优对称轴, 同轴度误差仅为0.002 7°。因此, 采用装配同轴度的局部成像检测方法是有效可行的。