针对光场深度估计过程中数据量大、边缘处深度估计结果不准确问题, 利用压缩感知原理重建光场, 提出一种新的多信息融合的光场图像深度估计算法。利用压缩感知重建算法重建5×5视角光场数据, 获取光场数据后首先移动子孔径实现重聚焦, 然后利用角度像素块散焦线索和匹配线索计算出场景初始深度和置信度。计算图像边缘信息, 通过融合初始深度、置信度、边缘信息获取最终深度。实现压缩光场仿真重建, 并对仿真光场数据和公开光场数据进行深度估计, 实验结果表明: 可以仿真重建出5×5视角光场数据, 且仿真重建的光场可用于深度估计。该深度估计算法在场景边缘处的深度估计结果边界清晰, 层次分明, 验证了重建光场深度估计的可行性与准确性。

为满足搭载平面反射镜的高精度二轴机械转台为核心的激光点目标球幕投影系统仿真目标点的时间精度与位置精度要求, 提出在具有高实时性和时间精度的RTX (real-time extension)64实时扩展系统环境下开发和运行的计算机控制软件的设计方案。使用实时CAN总线通信与以太网结合的通信控制方法, 实现各子系统之间的数据通信和协同控制, 提升运动目标模拟的位置精度和时间精度。在20 ms的同步控制时钟周期下, 重复实验中模拟目标点的误差最大值分别为0.005 34°与0.004 04°, 符合激光点目标球幕投影系统的模拟精度要求, 证明该实时控制软件的设计方案可行。

介绍了自行研制的辐射仪器的光谱模块, 其光谱范围覆盖可见-短波红外波段(400 nm～2 500 nm), 讨论了光谱模块的装调方法并对装调结果进行了分析研究。辐射仪器由3个光谱模块组成, 分别是可见波段光谱模块(400 nm～1 000 nm), 近红外波段光谱模块(900 nm～1 700 nm)和短波红外波段光谱模块(1 600 nm～2 500 nm), 光谱模块的探测单元均以平场凹面光栅分光, 线阵探测器探测信号, 光谱模块的光机组件主要包括光纤头、狭缝、反射镜组件、光栅组件和探测器组件等。鉴于光谱模块的光机装调效果与其光机设计息息相关, 装调结果的好坏能反映光机设计的优劣, 针对光谱模块的光机设计特点进行了光机装调。光机装调分析结果表明: 3个光谱模块的波长分辨率分别优于4 nm, 15 nm和20 nm, 达到了仪器的设计指标, 验证了光机设计、装调的合理性。

基于AOTF的成像光谱仪是集图像、光谱及偏振信息为一体的新型探测仪器, 仪器的光谱传递函数是衡量仪器性能的一项重要指标。介绍了单AOTF型和双AOTF型成像光谱仪的工作原理, 利用光学域光谱透过函数, 推导了以波数Δv表示的单、双型AOTF光谱传递函数, 在工作波段为400 nm~900 nm内, 计算对比了单、双AOTF型光谱传递函数, 并对影响双AOTF型光谱传递函数的因素进行了仿真分析, 最后对仪器参数的选取进行了分析和讨论。结果表明: 在入射光极角30°, 声光互作用长度5 mm工作波段下, 当双AOTF型成像光谱仪工作中心波长相等时, 相比同一工作中心波长时的单AOTF型成像光谱仪, 光谱传递函数提高了68%; 当工作中心波长不相等时, 双AOTF型光谱传递函数并不绝对优于单AOTF型, 存在临界值。

针对激光位姿敏感器获得的原始点云有噪声和直接参与解算消耗星上计算资源过大问题, 给出一种适用于空间非合作目标位姿测量的点云滤波和特征提取算法。应用仿真的方法分别验证了算法滤除空间随机噪声和点云降采样的有效性, 验证了特征点对目标位姿变化和高斯测量噪声的鲁棒性。在非合作目标绕飞、抵近、捕获全物理试验平台上, 以扫描激光位姿敏感器获得的原始点云数据为输入, 验证了算法在实际空间目标位姿测量中的性能。试验结果表明, 该算法实现了原始点云93.1%的降采样, 节省了92.9%的位姿解算时间, 可有效提升星上数据处理的效率和姿态解算的实时性。

为了有效对抗激光制导**, 提升车载**系统在战场上的生存能力, 提出一种车载主动防护系统的激光诱偏干扰对抗技术。根据半主动制导**系统的来袭威胁信息和特性, 探讨了激光诱偏干扰技术实现的可行性; 采用同步转发式干扰模式, 通过实验装置记录了跟踪系统从跟踪识别目标到启动干扰系统的运动轨迹, 验证了该系统能够在7s有效反应时间内实施对抗干扰, 达到主动防护的目的。

提出一种新的柔性抛光技术——液浮法抛光, 通过软件仿真及实验对其进行探索性研究。针对抛光液为具有剪切增稠效应的流体, 利用软件对该类液体的液浮法抛光技术模型进行流场分析, 得到液浮抛光模型的流场压强、剪切力分布情况。仿真结果表明, 液浮抛光技术对被加工件表面具有一定的剪切效果, 可以实现对工件材料的去除。搭建实验平台, 设计一组实验, 其中配置以粒径12 nm的二氧化硅为溶质, 分子量200的聚乙二醇为溶剂的非牛顿幂律流体作为抛光液的剪切增稠基液(其中二氧化硅质量分数为9 %), 加入质量分数为18 %的氧化铈作为磨料的抛光液, 对于初始粗糙度为23.97 nm的K9玻璃经过90 min的抛光, 其粗糙度可达到1.023 nm, 实验结果表明, 该技术可用于光学元件的抛光加工。

超快太赫兹时域光谱系统是基于高速异步光学采样原理进行工作的, 该系统使用2个重复频率可在1 GHz附近变化的飞秒振荡器, 并使用高带宽反馈电路控制其重复频率。2个飞秒振荡器的重复频率存在Δf的失谐, 一个飞秒振荡器的重复频率是1 GHz+Δf Hz, 为泵浦脉冲; 另一个飞秒振荡器的重复频率是1 GHz, 为探测脉冲, 由此提供泵浦脉冲和探针脉冲的时间差, 时间延迟呈周期性变化, 其扫描周期可以由1/Δf给出。此系统摒弃了传统THz-TDS系统所必需的机械延迟线, 采用双光子探测器来产生触发信号。当设定Δf=1 kHz时, 1 ms就可以探测出1个THz谱, 用时10.3 s即可得到动态范围为21 dB、频谱分辨率为5 GHz的太赫兹信号。该系统具有检测速度快和频谱分辨率高的优点, 在需要快速测量的应用环境中有着传统太赫兹时域光谱系统不可比拟的优势。

在原向反射式激光光幕测速技术中, 针对半导体激光光源产生的激光光束散射角使得出射光幕厚度不一致、原向反射屏产生的反射光幕剩余发散角使反射光幕厚度不一致这两方面导致弹丸穿过光幕不同位置触发光幕响应时间不一致的问题, 根据几何光学原理, 对半导体激光器弧矢与子午方向建立数学模型, 设计了具有不同面型的非球面准直透镜组, 将出射光斑尺寸控制在1 mm之内且子午和弧矢方向发散角分别为0.13 mrad、0.46 mrad。出射光束经过Powell透镜一维扩束后, 形成厚度为1 mm、均匀度达到85.7%的扇形出射光幕, 经过原向反射后, 配合狭缝光阑使反射光幕有效厚度控制在1 mm。使用Zemax软件模拟弹丸过靶仿真, 弹丸不遮挡系统光幕时探测器接收到原向反射光强1.54 mW, 弹丸遮挡系统光幕时探测器接收到原向反射光强为1.03 mW。当弹丸紧贴出射光幕侧面边缘(即1 mm光幕边缘), 分别距离光源100 mm、300 mm、500 mm处的弹丸触发探测器接收到的光强大小均为1.54 mW, 显然, 光强相对于无弹丸遮挡光幕情况下没有产生变化, 证明系统有效可探测光幕厚度一致且为1 mm。该结果表明, 本研究方案具有可行性。

设计了一种由耦出线性全息光栅和耦入体全息光栅组成的单色全息平板波导显示系统。该系统的工作原理是微型显示器发出的单色图像光波信息经过准直透镜后, 通过耦入体全息光栅和耦出线性光栅把图像光波信息从平板玻璃的一端耦入, 另外一端耦出, 最终在出瞳位置进入人眼。介绍了全息光栅的特点, 利用耦合波理论与K矢量闭合法理论推导全息光栅的视场角, 同时介绍了全息光栅的设计方法, 该方法是通过分束镜将激光分为物光波和参考光波, 且按照一定的入射角度在全息干板上发生干涉来实现。模拟仿真结果表明: 该系统显示视场角为18°×14°, 出瞳距离为30 mm, 传递函数MTF在30 lp/mm时均在0.3以上, 满足目视系统的使用要求, 可以应用于新一代头盔显示系统中。

燃料组件变形状态是堆芯运行过程中的重要监测指标, 基于水下双目视觉的变形检测系统不仅能获得燃料组件关键参数的三维尺寸, 还可以测量组件的整体轮廓。根据水下大型燃料组件的高热、高辐射特点, 研制了一种基于16台摄像单元的水下双目检测系统, 并给出各组成模块的详细设计; 通过联合Harris特征点和区域灰度互相关方法, 实现辐射噪声干扰下的双目摄像模块的组内快速图像配准。经模拟水池和核电现场实验, 验证系统局部参数测量精度优于0.2 mm, 全局参数测量精度满足0.5 mm, 为高热、高辐射的水下乏燃料组件的局部变形和整体弯曲等参数测量提供有力工具。

针对现有位姿估计算法对采样数据不做任何的统计假设, 缺少评判标准等问题, 从信号的概率密度函数出发, 推导了基于机器视觉的最大似然位姿估计的一般形式, 并证明利用单幅图像时, 在各向同性高斯噪声情况下传统迭代算法与最大似然估计等效。推导了位姿估计的克拉美-罗界, 给出了位姿估计的方差下限。根据仿真结果可以看出, 利用10张图像时, 最大似然算法在噪声功率大于5 dB的情况下, 性能明显优于传统迭代算法, 证明适当增加图像数可有效提高估计性能。

为实现大面阵CCD航拍图像准确快速匹配, 提出一种局部多特征哈希学习LMFH(local multi-feature hashing)方法。依据航向重叠率构建预测区域, 在预测区域内检测特征点并进行多特征描述, 以现有上万幅航拍图像为训练样本, 通过哈希函数将高维的特征描述向量映射为紧凑的二进制哈希编码, 在汉明空间通过汉明距离实现特征点的快速匹配。实验结果表明, 相对于SURF算子, LMFH算法在准确度上提高了10%, 匹配时间上减少了0.2 s。LMFH算法可更快更准确地实现CCD航拍图像的匹配。

减少条纹投影轮廓术的条纹图数量一直是本领域的研究热点。传统的时间相位解包裹算法, 一般需要额外的条纹信息来确定条纹级次, 导致条纹图数量过多。提出一种用于三维测量的快速相位解包裹算法, 只需要N步标准相移正弦条纹图, 就可以完成绝对相位的计算。首先, 利用标准相移算法计算包裹相位和消除背景的掩膜; 然后, 直接利用包裹相位和掩膜, 根据连通域标记算法计算条纹级次, 进而求得绝对相位。该方法最少只需3幅条纹图, 就可以完成三维测量, 数据处理速度快。计算机仿真和实验结果验证了该方法的有效性和鲁棒性。

海水的化学需氧量大小直接决定海水水质的污染程度, 传统的紫外-可见光波段检测时荧光干扰较大, 近红外光波段检测时, 水分子红外吸收峰影响较严重。提出一种基于拉曼光谱的海水化学需氧量检测方法, 以不同浓度的模拟海水样本为被测对象, 确定特征拉曼位移为981.6 cm-1, 对拉曼光谱预处理后, 通过偏最小二乘法对拉曼光谱的相对强度与碱性高锰酸钾法检测得到的海水化学需氧量进行回归建模。实验结果显示, 训练集和预测集相关系数达到0.99, 验证集决定系数可达到0.990 9, 预测均方根误差为0.79 mg/L。

在离子束抛光工艺过程中, 材料确定性去除特性对预测光学元件的各工位材料去除量和驻留时间具有极其重要的作用。采用射频离子源对熔石英光学元件的离子束刻蚀特性进行了研究, 利用ZYGO激光干涉仪获得准确的去除函数, 系统分析了气体流量、屏栅电压、离子束入射角和工作距离等因素对熔石英去除函数的影响, 并分析了各单一工艺因素微小扰动时, 材料峰值去除率、半高宽和体积去除率的相对变化率。实验结果表明, 相同工作真空条件下, 工作气体质量流量的微小变化对去除函数影响极小, 在典型的工艺条件下, 屏栅电压在±5 V、离子束入射角±1°、工作距离在±0.5 mm范围内变化时, 熔石英峰值去除率、体积去除率和峰值半高宽的相对变化均小于5%, 去除函数具有较好的确定性和稳定性。

飞秒激光在激光核聚变、卫星精密测距、激光微加工等领域具有重要的应用前景, 同时也是产生太赫兹波的主要泵浦源。介绍了国内外飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形的测试方法, 比较了自相关法、频率分辨光学快门法、光谱相位相干直接电场重构法的优缺点。自相关法具有脉宽测量范围广、结构简单等特点, 但不具备脉冲波形测试能力。光谱相位相干直接电场重构法对待测激光光束质量要求较高,不适合大量程范围激光脉宽快速测量。为满足10 fs～5 ps大量程范围超短激光脉冲宽度和脉冲波形的测试需求, 采用自相关法及二次谐波频率分辨光学开关法研制飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪, 时间分辨率优于2 fs。

光纤光栅(FBG)传感器具有灵敏度高, 测量量程大, 抗电磁干扰能力强, 耐高温能力强等诸多优点, 在爆炸冲击测试领域具有广泛的应用前景。针对空腔爆炸压力变化历程对压力传感器的性能要求, 设计了一种抗冲击FBG压力传感器。传感器采用圆平膜片作为承压面, 利用均匀压力作用下的挠度拉伸FBG产生位移。对传感器的力学模型进行了理论计算, 并进行了有限元仿真, 理论分析与数值模拟计算结果误差小于2%。使用标准压力源对传感器进行了标定, 获得最终的压力灵敏度为545.187 kPa/nm, 线性度相关度为99.998%。根据空腔爆炸现场防护需求, 设计了有效的抗爆防护装置, 并将该传感器成功用于空腔爆炸爆后气体压力变化历程测量, 取得很好的测试效果。

提出一种基于电介质纳米砖阵列的扇出衍射光学元件的设计和实现方案, 其纳米砖的深宽比低至1.5。这种扇出衍射光学元件被一束波长为633 nm的入射光束照射时, 可以在远场中得到均匀的4×4点阵, 发散角为32°×32°, 且数值模拟与实验结果吻合良好。基于超表面材料的扇出衍射光学元件具有连续、精确的相位操纵能力和较高的偏振转换效率, 并且仅需一步光刻制造工艺, 可以广泛应用于工程光学的各种领域, 例如光学传感, 激光雷达, 激光加工等。

基于多尺度成像理论, 采用混合仿生鱼眼-复眼结构, 实现了大视场兼具高分辨率的光学成像系统设计。前级物镜系统为大直径球透镜, 收集广角目标光线并成像到与球透镜同心的球面中继像面上; 次级目镜系统是关于球透镜中心球对称的小口径透镜组阵列, 对中继像进行像差校正并成像到探测器阵列上。对比了物镜采用双层同心球和单个球透镜的成像性能, 后者可获得更优的成像性能且避免了双胶合球透镜带来的公差控制及力学与热稳定性问题。整个成像系统的视场大于100°, 全视场内角分辨率优于10″, 而畸变小于5%; 系统具有大景深特点, 不需调焦即可同时对300 m到无穷远目标清晰成像, 可广泛应用于侦查监控等领域。

针对当前投影仪光源功耗大, 光投影稳定性差, 系统结构大的缺点, 利用Zemax软件, 设计出了一款大视场, 短焦距, 结构紧凑, 适用于便携式投影仪的投影物镜系统。经过优化处理, 最终获得的结构具有良好的成像质量, 在空间频率为80 lp/mm处中心视场MTF≥0.7, 0.8视场MTF≥0.6, 边缘视场处MTF≥0.48, 畸变小于3%, 满足给出的设计指标。并且在规定和要求的像元尺寸范围内能量集中度大于85%, 照度曲线0.8倍视场以内整体高于90%, 能量集中度高, 照度均匀性好, 与便携式投影仪能很好地搭配使用。

提出了充分利用灯具空间, 具有单体双向多功能的光学设计新理念。结合LED与CPC, 根据光学扩展量守恒, 借助光路可逆原理与边缘光线原理, 构造矩形复合抛物面。根据我国最新的《读写作业台灯性能要求》GB/T 9473-2017, 以出光口半宽、台灯辐照高度、截短后杯体长度比为3个因素, 设计正交实验, 确定台灯矩形复合抛物面最适合参数为: 出光口半宽50 mm、最大进光半角47.73°、截取杯体长度36 mm。在照明方面, 该矩形复合抛物面能够满足关于A、AA级的照度和照度均匀度要求; 在弱光聚集方面, 其太阳能芯片位置的照度是不经聚光情况的1.25倍; 在聚光模式下, 太阳能芯片的光伏转化效率是非聚光模式下的1.66倍。这是对当前市面上非聚光模式收集太阳能方式的补充。

为了提高微光成像质量, 实现针对动态目标或变化场景的实时性成像的需求, 基于偏振成像原理, 并结合孔径分割技术设计了微光偏振实时成像光学系统。光学系统采用共口径四通道阵列结构, 将4个待测偏振态分成4个独立的成像通道, 通过子孔径成像镜组对探测器靶面进行四象限分割成像, 每个偏振通道通过放置起偏状态不同的偏振片获取目标不同偏振态的强度图像, 从而实现实时偏振成像。光学系统的设计焦距为100 mm、系统整体F数为1.2、工作波长范围为0.4 μm～0.85 μm、最低工作照度为1×10-3 lx、可输出1 080 pixel全高清图像。系统光学总长为167.5 mm, 单通道镜头的MTF值在40 lp/mm处全视场均高于0.57。

为了在光学薄膜中引入连续轮廓的微结构, 综合利用薄膜的干涉效应与微结构的折反射、衍射效应, 提出一种薄膜光学微结构的制备工艺。基于时域有限差分方法设计了具有可见光波段减反射特性的薄膜光学锥形光栅; 采用单点金刚石车削技术, 结合纳米压印与电感耦合等离子体刻蚀技术, 在SiNx薄膜中制备出高1.6 μm, 周期4.1 μm的锥形光栅; 在可见光波段, SiNx薄膜光学锥形光栅的平均反射率为5.7%, 反射率的实验检测结果与仿真计算结果达到很高的一致性; 当入射光角度在30°以内, 薄膜光学锥形光栅的减反特性表现出对光波入射角度的不敏感性。该制备工艺突破了单点金刚石车削技术的材料局限, 将连续轮廓的微结构的直接形成工艺拓展至介质薄膜当中, 实现了宽光谱、宽入射角度的减反射。

可调谐窄线宽掺铒光纤激光器具有线宽窄、噪声低等优点, 在光纤通信、光纤传感、相干探测和合成等方面有广泛的应用。根据传输矩阵法,利用Matlab软件仿真出单点相移光纤光栅的透射谱, 通过对不同相移量、不同相移点位置、不同光栅的长度以及不同纤芯有效折射率的单点相移光纤光栅透射谱进行分析, 得到了影响其相移峰的透射率、线宽、位置的主要因素, 并提出了一种利用相移量为π且相移点在中点的相移光纤光栅作为滤波窗口的可调谐窄线宽掺铒光纤激光器的方案。

为了对光纤输出光斑的均匀性进行检测, 提出了一种基于成像法, 采用区域平均法对光纤光斑均匀性进行检测的方法。首先利用数码相机对实验装置获得的光纤光斑进行采集, 再结合区域平均法对图像逐次分区进行均匀度检测, 计算出整体和各个小区域的均匀度以获取图像均匀度最佳的区域。同时引入了均匀深度的概念, 作为一种判断光源均匀性好坏的依据。结果表明, 调节后的光斑均匀性达到了99.7%以上。通过对调节前后实验装置得到的光斑进行对比分析, 并与理论计算的光纤输出光斑分布比较, 验证了该方法的有效性。