机动车排放造成的城市空气污染是目前亟待解决的问题之一。为了分析机动车排放对北京市大气污染的影响,于2007年8月在北京市健翔桥附近利用米氏(Mie)散射激光雷达,对交通排放的颗粒物进行了长时间连续立体监测。实验选取2007年8月16日至21日机动车限行前后的典型数据进行分析,对激光雷达系统及其数据处理方法进行讨论,反演了近地面层颗粒物质量浓度,与车流量和黑炭浓度进行了比对分析。把机动车限行期间与限车前后的观测数据分析比较,发现颗粒物质量浓度与车流量具有很好的相关性,限车期间颗粒物质量浓度总体上呈现下降趋势,证明了机动车限行减排是一项减轻城市大气污染的有效措施。

理论和实验研究了基于载波抑制原理采用级联的相位调制器和强度调制器产生四倍频光载毫米波的原理。基于此原理,在中心站利用10 GHz的本振射频信号,通过调节两个调制器的相位差和强度调制器的偏置电压产生40 GHz光载毫米波信号,2.5 Gb/s的基带数据信号直接调制在光载毫米波上,经过20 km标准单模光纤传输至基站。实验研究表明,下行链路信号通过20 km标准单模光纤传输后,传输功率代价小于0.8 dBm,基带信号眼图依然清晰张开,简化了系统配置,信源稳定可靠。

报道了一种新型结构的光纤法布里珀罗(F-P)折射率传感器。使用腐蚀工艺在切割好的掺铒光纤端面制作一个封闭的微槽,然后与一段单模光纤熔接形成封闭的F-P腔。腐蚀产生的微槽底部是一个凹谷,靠近凹谷切割并研磨产生一个微通道,同时光束也能够返回并不损坏F-P干涉仪,利用毛细作用液体可进入F-P腔。根据F-P干涉原理,传感头反射光谱的波谷波长与腔内折射率成线性关系。实验表明当折射率在1.3333-1.3899内变化时,线性度为0.9996,灵敏度为1068 nm/RIU (refractive index unit)。该传感器为全光纤结构,具有体积小、结构稳定、精度高、耐腐蚀等特点,适用于液体和气体折射率的微型化测量。

基于单个半导体光放大器(SOA),实现了两路独立信号(10 Gb/s)的同时波长变换。其中输入信号为消光比恶化的归零码,其“0”码具有较弱的光功率,并且偏振态与“1”码正交。利用SOA中四波混频(FWM)的强度与偏振相关特性,通过调节两路输入信号间的偏振角度,将两路信号的调制信息分别复制到了由四波混频产生的两路闲频光上。实验结果表明,输出的两路波长变换后的信号具有良好的消光比。

提出一种基于半导体光纤环形激光器的混沌光纤围栏系统。在该系统中,激光器输出为具有帧结构的偏振混沌光,环形激光器中的一段光纤用作传感光纤。任意位置的入侵都会改变光纤的双折射分布状态,引起环形激光器初始状态的改变,由于混沌对初值的敏感性,激光器输出波形即刻被改变。通过相邻帧输出波形的互相关检测可实现入侵的检测。利用混沌环形激光器输出波形的帧型特点实现入侵定位的空间时间转换。利用入侵位置与帧间互相关峰值的对应关系实现入侵的定位。该方法实时性好,抗干扰性强,检测结果不受周围环境变化影响。实验结果表明,在3 km左右的监测范围内定位误差约45 m,相对误差5%,且检测结果重复性良好。

设计了一种基于顺变柱体和膜片复合结构的矢量光纤水听器。对水听器的传感原理和矢量生成原理进行了理论模型分析,得出了水听器相移灵敏度的数学表达式,讨论了传感器的设计参数,并按照设计参数制作了水听器探头。在**水声一级计量站做了传感器相移灵敏度频响曲线和“8”字形方向图的测试实验。实验结果表明,当频率为800 Hz时,此种复合结构的水听器相移灵敏度很高,能达到-155 dB re rad/μPa(0 dB=1 rad/μPa),并且实验测试值与理论计算值基本吻合,偏差之处分析其原因主要由于理论模型不够精确和测试装置与固定装置有谐振造成。

空间相干激光通信终端中的跟瞄(PAT)系统性能直接影响通信质量。在通用的相干接收机系统中加入CCD和图像处理软件,在对传输信号进行相干探测的同时可得到目标位置误差信息,实现发射光束的实时调整。给出了干涉场强的理论表达式以及图像参数与目标位置的关系式,并讨论了实际应用中波长抖动对位置误差探测精度的影响。通过计算机仿真,验证了目标位置相干探测原理以及波长扰动分析的正确性。

提出了一种基于双色光照明的单曝光同轴数字全息技术。在红绿蓝三色中,任选两种波长的光来照射物体,采用彩色CCD记录双色同轴全息图,然后经过三基色分离数字处理,可得到两幅不同波长的同轴全息图。用角谱衍射理论对该技术进行了分析,表明在降低物参光振幅比的条件下,通过对同轴数字全息图求自然对数,可近似得到衍射物光及其共轭之和,其误差与物参光振幅比有关。取两幅不同波长的同轴数字全息图,经自然对数处理后,用传递函数可以很好地重构出物体图像,给出了具体的数字处理算法。用仿真实验,模拟了该技术的全息记录和处理过程,得到重构图像的峰值信噪比(PSNR)为14.2 dB。结果表明该方法可以去除孪生衍射像干扰,可以实现清晰的单曝光同轴全息成像。最后,分析了再现像中噪声产生的原因。该技术可用于基于同轴全息的实时成像与动态测量。

提出了基于分层树集合分割(SPIHT)的分布式干涉多光谱图像压缩算法,将SPIHT和分布式信源编码(DSC)有效结合,以同时去除图像序列帧内、帧间及小波系数子带间的强相关性。根据DSC的特点,提出了基于边信息的辅助重构方法,以减少量化误差,提高重构质量。为了进一步保护光谱信息,采用基于加权提升系数的感兴趣区域(ROI)方法,对包含大部分光谱能量的强干涉区域优先编码。辅助重构方法在ROI保护方面也具有明显的优势,在保护强干涉区域的同时,能减少弱干涉区域的信息损失。实验结果表明,和变换域的DSC相比,算法的峰值信噪比(PSNR)提高了大约0.5 dB,拟合原始光谱曲线的性能较其它传统算法也有明显的提高。

虹膜识别是一种有效的生物特征识别方法。经验模态分解(EMD)是一种可自适应的对非线性、非平稳信号进行多分辨率分解的信号分析算法。将虹膜图像进行EMD分解,找出有利于虹膜识别的敏感频带,使用选择后的固有模态分量对虹膜图像进行特征提取。仿真实验结果表明,该方法正确识别率达到99.44%,并且由于其在特征提取的同时消除了高频噪声和背景光影响,简化了预处理过程,降低了算法的复杂度。

在曝光时间内相机和被摄物体的相对移动会使图像产生严重的退化,有必要对退化图像进行恢复。但是由于相对运动的方向和形式的任意性,运动模糊图像的恢复是一个难以解决的问题。提出一种可以对被二维任意方向、任意形式的运动所造成的退化图像进行恢复的方法,给出理论推导,并建立一套实现系统。在主CCD曝光的同时,利用低分辨率的黑白快速CCD获得多帧图像,根据这些图像序列来计算位移,进而计算出模糊过程的点扩展函数(PSF),并用来恢复模糊图像。实验结果表明,这种恢复方法对二维任意运动形式造成的模糊,能够得到较好的恢复效果。

利用空间非局部梯度构造了图像的非局部结构张量,通过对非局部结构张量的特征分解得到图像的一个特征空间,依据特征空间的特性设计了非局部扩散张量,建立了基于非局部扩散张量的各向异性扩散模型。该模型和局部各向异性扩散模型的本质不同在于,在扩散的过程中充分利用了图像的全局信息。优点是在去除噪声的同时,能更好地保护图像的边缘,尤其是纹理等图像的重要细节特征。

针对大孔径静态干涉成像光谱仪(LASIS)的成像特点,提出了一种支持感兴趣区域(ROI)的非对称三维分层树集划分(AT-3DSPIHT)压缩算法。首先,对高光谱干涉图像进行非对称三维离散小波变换。然后,根据光谱信息的分布特点,采用ROI方法对不同区域的变换系数赋予不同的编码精度,以保护光谱信息。最后,采用改进的三维分层树集划分(3DSPIHT)算法编码高光谱干涉图像的小波变换系数。实验结果表明,该方法在8:1压缩比下,获得大于40 dB的峰值信噪比,同时有效地保护了光谱信息。

为了解决空间图像中因曝光控制不理想产生的曝光过度和拖尾问题,提出了一种基于光照变化和灵活块划分的空间图像曝光控制算法。该方法考虑大气吸收对光照辐射衰减的影响,得出了光照强度与CCD相机曝光时间的关系,推导出相应的空间图像成像模型;对前一幅图像进行分块,分别比较当前块和周围相邻块的灰度均值,判断两者是否进行合并,如果灰度均值差大于阈值,则两块不合并,否则合并。根据块合并后的划分程度预测当前图像的曝光时间。实验结果表明,经过对曝光时间的准确控制,拍摄的天文图像的信噪比(SNR)最高能够提高2.49 dB。有效地解决了空间图像中曝光过度和拖尾问题,并实现了曝光时间的自适应调节。

大视场波前编码成像系统的点扩展函数(PSF)随视场变化敏感,传统上仅使用中心视场的PSF会使图像复原非常困难。基于PSF在各视场分区近似不变的思想,建立了大视场效应下的图像降质模型,而图像复原正是这一模型的逆过程;从而提出一种基于视场分区的维纳滤波图像复原方法,不同视场区域采用该区域中心的PSF进行复原,然后通过插值将各分区的复原图像融合为一体。该复原方法的模型更加精确,而且对不同视场区域可以选择不同的滤波器参数,具有更大的灵活性,测试结果表明该方法可以使复原质量得到明显改善。

在具有旋转不变性图像矩的传统算法中,必须将图像的坐标从直角坐标系转换到极坐标系,这种转换不仅会极大地增大计算量,并且会产生明显的舍入误差,从而导致以图像矩为特征的图像识别误差率上升,利用图像矩重建的图像质量下降。为了消除在像素坐标的转换过程中带来的不利影响,以圆谐傅里叶矩的计算为例,介绍了一种直接在直角坐标系下计算图像矩的方法。实验证明,这种方法不仅彻底消除了像素的坐标转换带来的误差,而且大幅降低了计算量。

为保证数字图像的安全性,提出了一种压缩图像的三维混沌加密算法。该算法是通过对已压缩的数据流进行加密而实现的。首先采用基于小波的Contourlet变换的类等级树集合分割(SPIHT)编码算法对明文图像进行压缩,得到压缩数据流,然后将压缩数据流映射为一个三维位矩阵;利用Lorenz混沌映射产生混沌序列,并对其进行预处理得到比特值序列,根据比特值序列对上述三维位矩阵进行置乱和替代操作;将置乱和替代后的位矩阵重新映射为数据流,并对其进行解码和反变换操作,得到加密后的压缩图像。实验结果表明,产生的比特值序列具有较好的随机性,加密算法的密钥空间很大,对密钥非常敏感,子密钥和明文有关,能有效抵抗已知明文攻击,结合压缩技术,能有效提高存储和传输效率。

许多场合需要精确观看与真实景物相似的立体影像,立体拍摄和再现系统应无畸变。提出的再现立体影像垂轴放大率概念,其具有与拍摄相机的垂轴放大率互补的特性。由此根据再现立体像的垂轴放大率与轴向放大率应相等这一消畸变的基本要求推导了立体拍摄和再现系统的消畸变条件。提出了消畸变系统的设计方法和设计流程,计算并通过验算证明了设计方法的正确性。该方法设计流程简单合理,设计的立体拍摄和再现系统,在正面观看时可在很大的纵深范围内得到消畸变立体影像。

光学表面沾染是导致光学成像系统成像质量降低的重要因素之一。对光学表面被直径d=0.3 mm而颗粒间距不同的颗粒沾染的成像系统进行了测试,相应的分辨率值由奥林巴斯公司编写的软件HYRes 3.1给出。然后采用时域有限差分方法(FDTD)计算了相应的前向散射光强分布。结果表明,随着沾染颗粒间距的减小,前向散射光强的最大值在数值上变化不大,但位置更加远离成像面中心,而且光能更加集中于某些点上,分辨率随之减小;当颗粒间距达到一定值时,分辨率严重降低以致无法由软件读出,而前向散射光的最大值也迅速下降,且几乎位于成像面边缘。因此,在光学表面沾染量较小、不足以造成光能传输率明显改变的情况下,沾染颗粒衍射引起的光能分布的改变可以导致光学成像系统成像质量的降低。

提出一种利用投影仪条纹投影技术完成三维坐标测量的方法。测量系统包括两部分:一是可以在三维坐标内自由移动的测头,另一个就是静止不动的面阵探测阵列。移动的测头上有微型投影仪,形成的投影条纹由面阵探测器接收。应用相移算法精确测量探测器上的相位,并结合几何系统模型通过最优化方法确定测头的xyz坐标。给出了测量原理、迭代求解方法、计算机模拟和初步实验结果。实验中,微型投影装置投影相移条纹由面阵探测器接收,利用相移条纹计算出的相位分布具有很高的精度和较强的抗噪声能力,为后续的迭代优化计算提供了基础。实验结果表明,该测量方法具有较高的测量精度。

X射线相位衬度成像具有极高的灵敏度,能探测到轻元素样品的内部结构,在医学、生物学和材料科学等众多领域显示出良好的应用前景。光栅成像模式可使用非相干光源进行X射线相位衬度成像,开创了非相干光源相衬成像新纪元。将螺旋CT的概念引入光栅相衬成像领域,将螺旋CT的高效率优势与光栅相位成像的高衬度优势相结合,发展X射线螺旋相位CT方法。通过分析螺旋轨迹非相干光源相位成像的特点,提出一种扇形束螺旋条件下的相位信息提取方法;而后借鉴希尔伯特滤波反投影重建算法的思想,得到扇形束螺旋相位CT重建算法。该算法利用折射角像直接重建物体的相位项。计算机仿真实验证明了该算法的有效性。

光子筛作为一种新兴的纳米成像器件,具有分辨力高、体积小、重量轻、易复制等优点,被广泛地应用到纳米光刻、大型天文望远镜、航空航天摄像等领域。为了追求高分辨力,须将光子筛的小孔直径做得非常小,但当光子筛的小孔直径远小于入射光波波长时,标量衍射理论已不再成立,必须采用矢量衍射理论来进行光子筛的设计。利用矢量衍射理论建立了光子筛的衍射模型,并基于此模型进行了光子筛结构的设计与优化。为了考察模型的有效性,进行了数值模拟。数值模拟结果表明,基于矢量衍射模型设计的光子筛的聚焦性能良好;在近场区,标量衍射模型不再适用,而矢量衍射模型却能较好地满足设计要求。

自混合干涉信号的幅度和波形均会随外腔静态长度发生周期性变化。实验测量了干涉信号幅度和波形随外腔静态长度的变化,并用多模自混合干涉信号叠加的方法计算分析了干涉信号的幅度随外腔静态长度的变化,然后考虑反馈光对内腔反射率和激光介质增益的影响计算分析了干涉信号的波形随外腔静态长度的变化。结果表明,多模激光自混合干涉信号随外腔静态长度变化的周期为内腔的光学长度,而其主极大区域的宽度为激光的相干长度,小于内腔的光学长度。多纵模自混合干涉信号的叠加导致自混合干涉信号的幅度随外腔静态长度发生周期性变化,而波形随外腔静态长度周期性变化则是内腔反射率和激光介质增益均受反馈光影响导致的非线性的结果。

由于噪声、阴影、条纹断裂及欠采样等因素的影响,完成相位解包裹是一个困难的问题。最小二乘法能够提供平滑解,但无法限制噪声的传播,特别是其平滑作用,容易导致误差。另一方面,注意到最小二乘相位解包裹算法对空洞是有填充作用的空洞中填充了向原始相位靠近的数值,为此提出了引入一个二值化掩膜,并将最小二乘相位解包裹算法多次迭代的解相方法,以求加强最小二乘法对空洞的填充作用,同时又保证其它地方不因多次迭代使误差放大,从而获得更好的解包裹结果。通过模拟计算和两个实验的检验表明,使用该方法得到的相位已经很接近实验值,此方法比不使用掩膜和迭代的最小二乘解包裹算法有更好的结果。

针对深空慢速运动目标(目标在焦面的运动速度小于1 pixel/frame)提出了一种最大似然条痕检测算法,能够在较低信噪比情况下实现有效的慢速目标检测。算法将目标脉冲形状信息引入信号模型中,是最大值投影算法的改进形式。建立基于高斯噪声分布的图像信号模型,在此基础上推导了最大似然条痕检测算法模型;分析该算法的实时性及其理论探测性能;采用蒙特卡罗仿真方法比较最大似然条痕检测算法与最大值投影检测算法的检测性能。仿真结果表明,输入信噪比为3.5时,最大似然条痕检测算法的探测概率为95%,其相同探测概率条件下所需信噪比比最大值投影算法降低了2.5(即最大值投影算法要达到95%的检测概率,所需信噪比为6)。算法实时性分析表明,最大似然条痕检测算法的实时处理能力为31.25 Mb/s。

在利用散射成像法测量激光强度分布中,CCD像面与散射屏平面存在较大角度时,光斑形状和强度分布都会产生严重畸变,给强度分布测量带来较大影响。分析了畸变产生的原因,给出了畸变坐标和理想坐标的数学模型,提出一种结合CCD像素合并的网格法来校正这种畸变。“网格法”利用自制标准网格成像,通过识别网格像边界来确定标准网格和畸变网格的对应关系,利用此对应关系在输出图像时恢复光斑;利用均匀光源成像来校正系统光强分布畸变。结果表明,该方法能够较好地校正光斑的形状畸变;能够实时恢复光斑的真实光强分布,单元强度畸变恢复误差小于1%。该校正方法在激光强度分布散射成像测量中非常实用。

由于聚丙烯管道所处的工作环境恶劣,长期使用后极易形成内壁腐蚀、结垢和裂纹等缺陷,导致管道的性能降低,引发事故,因此对聚丙烯管理进行严格的天损检测是十分必要的。将红外热波无损检测技术用于预埋有三种缺陷(腐蚀、结垢和裂纹)的聚丙烯管道的无损检测;对红外热像仪采集的数据进行处理,得到典型时刻的热图和温度对数-时间曲线。通过分析典型时刻热图的灰度随时间变化的情况和曲线的斜率变化,对三种缺陷类型进行定性分析,并对缺陷进行定位。利用图像处理软件测量出了腐蚀面积。实验结果表明,红外热波无损检测技术可以快速、直观和有效的检测聚丙烯管道的三种常见缺陷。

测试了半导体激光器阵列的横向波长分布。结果表明,多数阵列的波长分布出现了V型的“凹陷”。这一分布与器件工作温升引起的横向波长分布相反,根据半导体禁带宽度与应变关系的基本理论,说明这一波长分布反映了键合应力的状态。通过对键合应力产生机理的初步分析,提出了线性应力分布模型,很好地解释了现有的实验数据。实验和分析表明,激光器阵列横向波长分布的测量是键合应力探测的一个有用手段。

基于正交的两组平行直线形成的消隐点的几何特性,提出了一种摄像机内外参数的自标定方法。该方法利用连接光心与消隐点向量的正交性质,建立关于相机内参数的约束方程,并给出了约束方程的线性解法;针对现有自标定方法未能标定畸变系数的现状,提出了一种考虑畸变的非线性最优化算法,该算法以线性求解得到的内参数为初值,利用非线性单纯型法寻优标定畸变;建立消隐点坐标系,给出了摄像机外参数的求解算法。所给出的自标定方法不需要知道空间点的精确坐标,具有易于实现、精度高和稳健性好的优点。

采用静电纺丝技术制备了PVA/[Gd(NO3)3+Eu(NO3)3]复合纳米纤维,并将其进行热处理,得到Gd₂O₃:Eu³⁺发光纳米纤维。X射线衍射分析表明,复合纤维为无定型,Gd₂O₃:Eu³⁺ 发光纳米纤维属于体心立方晶系,空间群为Ia3。扫描电子显微镜(SEM)分析表明,复合纳米纤维的平均直径约为200 nm,经过800 ℃焙烧后,获得了直径约50 nm的Gd₂O₃:Eu³⁺ 发光纳米纤维。差热热重分析表明,温度高于600 ℃时,复合纳米纤维中水份、有机物和硝酸盐分解挥发完毕,样品不再失重,总失重率为71.9%。傅里叶转换红外光谱(FTIR)分析表明,复合纳米纤维的红外光谱与纯聚乙烯醇的红外光谱基本一致,600 ℃以上生成了Gd₂O₃:Eu³⁺ 发光纳米纤维。荧光光谱分析表明,在251 nm紫外光激发下,Gd₂O₃:Eu³⁺发光纳米纤维发射出Eu³⁺离子特征的609 nm明亮红光。讨论了Gd₂O₃:Eu³⁺发光纳米纤维的形成机理,该技术可以推广用于制备其他稀土氧化物发光纳米纤维。

太阳热反射涂料用在建筑物上可以节约空调制冷耗能,提高室内环境热舒适性。其作用效果与节能涂料的反射率密切相关。在太阳光谱范围内,反射率越大,效果越明显。通过实验研究波长、入射角及涂料厚度对反射率的影响。测量涂料在可见光区域内波长为635 nm及近红外区域内波长为980 nm的双向反射分布函数(BRDF),根据双向反射分布函数得到法向半球反射率,比较涂层厚度对半球反射率的影响。测试表明,涂料在镜反射方向出现明显的峰值,且随着入射角和波长的增大,前向散射峰值变大。涂层厚度对半球反射率的影响很小,入射波长为635 nm和980 nm时,半球反射率分别为83%和75%。

波前像差的客观验光准确度对眼科临床应用有重要的意义。基于实测人眼的波前像差数据,计算波前像差曲面图的曲率分布,得到人眼在瞳孔平面位置的屈光度。通过波前传播,计算得到眼镜镜片所处位置的屈光度。该方法包含了高阶像差对人眼屈光度的影响,分析该屈光度与主观验光屈光度间的差异发现,4 mm瞳孔直径下的波前验光结果与主观验光结果差异较小,平均球度差异为0.06D,平均柱度和柱度角的差异分别为-0.07D和0.62°。结果表明,利用4 mm瞳孔直径下的曲率分布图验光结果可以较准确的预测主观验光结果。

论述了一种与光镊结合的显微拉曼光谱即“光镊显微拉曼光谱”系统的构建方案。给出了利用该系统测得的活细胞(大白鼠血细胞,酵母细胞)的微区拉曼光谱,并将红外光镊束缚下的Ar+激光激发的血细胞的拉曼光谱,与用单一Ar+激光光镊束缚并同时激发的血细胞拉曼光谱,以及血细胞直接贴在基底上的拉曼光谱进行了分析对比。实验表明,前者比后两种实验方案的血细胞拉曼光谱信号有显著提高。分析了红外1064 nm光镊激光和可见514.5 nm Ar+激光对活细胞的损伤效应,发现高功率的红外激光对细胞的损伤作用远小于低功率的Ar+激光。并将该系统应用于碳纳米管材料分析,获得了单壁碳纳米管的拉曼光谱。

光互连在短距离传输中的应用是未来大规模计算领域的关键技术。针对并行运算系统对高速高效传输的应用需求,研究了不同结构和不同传输方式下并行运算系统的性能,并从并行运算性能这一角度比较了光互连系统与电互连系统的优劣。采用网孔结构和超立方结构两种模型,用加速比和效率两个指标来评价光互连系统和电互连系统在并行运算方面的性能差异。得到光互连系统及电互连系统在进行并行计算时的加速比和效率与计算规模之间的关系,分析了计算规模对计算速比和效率的影响。通过加速比和效率这两个量的比较得到结论,在大规模并行计算中,光互连系统有着电互连系统不可比拟的优势。

利用全息法可产生复杂拓扑结构的光学涡旋且容易实现对涡旋态的控制,但通常情况下衍射效率较低。以掺铁铌酸锂晶体为存储介质,通过对光学涡旋的体全息存储与再现研究,在晶体几何厚度仅为0.6 mm的情况下获得了26.7%的衍射效率,且再现图像与记录前图像质量相当。根据实验参数,应用Kogelnik耦合波理论进行的计算表明,在同一种晶体和曝光参数情况下,当晶体的几何厚度达到1.23 mm时可获得100%的涡旋光衍射效率。

针对惯性约束聚变(ICF)驱动器对谐波分离的苛刻要求,利用基于矢量衍射理论开发的商用软件Gsolver,在布拉格(Bragg)入射角下,设计满足分光要求的光栅参数,并根据对影响谐波分离性能的亚波长光栅的各个参数进行了分析,研究了实现谐波分离的亚波长光栅的优化设计方法,并设计得到了满足谐波分离要求的亚波长光栅。研究结果为亚波长光栅用于谐波分离提供了理论支持。

冲击角度会影响冲击射流的动力特性,对射流抛光的材料去除面形和去除量大小有重要的影响。利用计算流体动力学理论进行了冲击角度对射流抛光中材料磨蚀的影响的仿真和实验研究,分析了冲击角度对冲击射流特性的影响,结合实验研究,基于射流厚度、壁面速度和压力等几个方面分析了冲击角度对材料去除面形的影响,得到了材料去除分布与冲击角度的去除模型的关系描述公式,其材料去除面形分布与实际抛光面形能很好的符合。

用陈化处理过的锌粉为原料,采用高温气相氧化法制备四针状氧化锌材料。应用厚膜、光刻工艺和丝网印刷法制作氧化锌场发射阴极阵列。将阴极板与阳极荧光板制成了5英寸(12.7 cm)单色平行栅结构场致发射显示器(FED)并对其进行了场发射性能测试。分析讨论了影响发射性能的栅极电压、阳极电压以及阴极厚度等参数。该FED在约4000 V阳极电压和300 V栅极电压的驱动下能实现全屏发光。实验结果表明,氧化锌平行栅结构FED具有良好的栅极调控作用,场致发射性能良好,具有良好的应用前景。

掩模图形不同区域的波前因衍射光的相干叠加作用而对光刻胶上的场点产生不同的影响。为研究这一作用规律,采用波前分割的方法对掩模图形上的波前进行区域划分,并利用光场相干叠加相互抵消的性质,最终得到了掩模图形上对场点光场影响最大的波前区域。理论分析表明,对于图形内部场点而言,这个区域范围为场点附近约一个半波带的大小;而对靠近图形边缘的场点,其范围与边缘形状有关,一般要稍大于一个半波带。利用该方法可以显著提高仿真效率,对于分析由衍射造成的光刻误差来源和大小具有一定的理论指导意义。该理论计算结果得到了实验验证。

研究了用LED作为光栅光调制器的照明光源时,三基色光源数目之比和光源相干性对显示质量及颜色复现能力的影响。利用部分相干光和色度学的相关理论,比较了不同光源带宽对显示对比度和色彩显示的影响。结果表明光源带宽越小,显示对比度越高,色品图中的色三角的面积越大;此外,研究还发现三基色光源数目之比对色彩显示影响较大,当红绿蓝三色光源数目之比为2:1:1时,混色白场在色品图中的坐标与标准光源的白场坐标位置接近,并进一步得到在该比例下光源带宽和一般显色指数的关系:光源的一般显色指数随着光源带宽的减小而减小。从而为光学系统的设计提供了一个光源选择的优化方案。The influence of display quality and ability of color discrimination on different ratio of RGB light source number and different coherence of light source is analyzed,when LED is used as the lighting source for grating light modulator. By using partially coherent light and colorimetry theory,the display contrast and color display on different bandwidth is compared. The result illuminates the contrast and the area of color triangle is increasing as the bandwidth is becoming narrower,and the ratio of RGB light source number affects the quality of color display largely. The coordinate of white field is highly closed to the position of standard white light source,when the ratio of RGB light source number is 2:1:1. Meanwhile the relation between general color rendering index and bandwidth is acquired in this situation. It shows that the general color rendering index becomes less as the bandwidth is narrower. Above all,an optimized project based on the choice of light source for the design of optical system is proposed.<英文摘要>

对硅基微环光学谐振器建立了一种基于Spice的器件模型,该模型可以作为集成光路的基本元件应用于集成光路的计算机模拟。应用该模型分析了双环以及多环光学滤波器光路。计算得到双环光学滤波器耦合系数与系统增益以及3 dB带宽的关系,结果表明,微环数目越大,谐振特性越陡峭,具有更好的滤波特性。

利用高精度光纤拉丝塔制作了高品质的锥管,并且对锥管的束斑大小、传输效率和增益因子进行了测量。测量结果表明,锥管的束斑大小可以达到20 μm以下,在8.04 keV处,锥管的传输效率为13.86%,距离锥管出口端2.5 mm处,增益因子为85。同时,还利用光线追迹软件shadow对锥管的束斑大小、传输效率和增益因子进行了理论模拟,理论模拟结果与实验中测量的结果符合得较好。测试结果表明,利用锥管会聚X射线,可以得到比目前经常使用的X光透镜更小的束斑。

利用传输矩阵法研究了光在全介质双腔法布里-珀罗(F-P)结构中的传输,得到了透射率的一般表达式。能在禁带中出现共振模的双腔F-P结构共有12种组合方式,并且要求两腔之间的介质层数必须小于其外侧的介质总层数。当微腔的光学厚度是λ0/4的奇数倍时,其两端接触的首层介质必须是异种介质;而当光学厚度是λ0/4的偶数倍时则必须是同种介质。当两腔长度一定时,共振模的位置主要取决于两腔之间的介质层数,而谱线宽度则主要取决于两腔外侧的介质层数。当双腔F-P结构呈左右对称时共振模的透射率等于1。

基于抛物线坐标系的电离光电子运动方程,分析了具有不同动能光电子运动轨道及其特征,给出了光电子投射到探测器上的半径表示。结果表明,快电子成像图谱既反映了光电子的能量特点,也反映了所处轨道的空间分布信息;慢电子的成像图谱则与其所具有的能量密切相关,光电子主要集中在成像图谱的中心区域。

研究了利用高双折射的c切钒酸钇(YVO4)晶体产生轴对称偏振光(包括径向偏振光和角向偏振光)的原理和实现方法,搭建了轴对称偏振光产生及定性测量平台。实验结果表明,当输入光为圆偏振光时,输出光为偏振态关于中心对称、强度均匀分布的轴对称偏振光;当输入光为线偏振光时,输出光偏振态关于中心对称,强度沿圆周呈余弦分布。轴对称偏振光在光操纵、材料加工和高分辨率显微测量等领域具有广泛的应用前景。

研究了模拟光在液晶中传播的时域有限差分(FDTD)法。该方法采用完全匹配层吸收边界条件来截断计算区域,通过独立计算总场区域与散射场区域的左连接边界和右连接边界上的入射场场值来实现非周期结构的平面波波源引入,并提出了分裂场一维辅助FDTD方法来计算含有非均匀各向异性介质的边界上的入射场场值。实现了平面波源入射下具有非周期结构的液晶器件光学特性计算。对开态下扭曲向列相液晶盒的仿真结果表明,30°入射时散射区透射率的最大泄漏误差小于3%,可知该方法对非周期、非均匀各向异性介质光学特性分析是有效的。

基于近红外波长调制光谱和谐波探测方法,并采用时分复用方案,建立了多组分毒性气体同时检测的实验系统。成功实现了对火灾产物中多组分毒性气体(包括CO,CO2,HCN)浓度的同时检测,并通过对三个通道的基频分量和二次谐波分量进行实时数据处理,计算得到浓度结果。三种毒性气体各组分的满量程体积分数分别为4×10-4,4×10-4,3×10-4,测量结果误差的最大值不超过满量程的0.73%。实验结果表明,该系统进行气体浓度检测具有较好的线性度,并满足检测精度要求。

为了实现沙棘汁品牌的快速无损鉴别,提出了采用可见近红外光谱分析技术(NIR)鉴别沙棘汁品牌的方法。采用FieldSpec3光谱仪对三种沙棘汁进行光谱分析,各获取40个样本数据。采用平均平滑法和多元散射校正(MSC)方法对样本数据进行预处理,再用主成分法(PCA)对光谱数据进行聚类分析并获得各主成分数据。将120个沙棘汁样本随机分成90个建模样本和30个预测样本,把基于累计可信度选择的建模样本的8个主成分(PCs)数据作为BP网络的输入变量,沙棘汁品牌作为输出变量,建立三层反向传播(BP)神经网络鉴别模型,并对30个预测样本进行预测。结果表明,在阈值设定为±0.1的情况下,该模型对预测集样本品牌鉴别准确率达到了100%。所以应用近红外光谱技术结合主成分分析和BP神经网络算法识别沙棘汁品牌是一种有效的方法。

利用中红外光谱分析技术进行人体血糖浓度检测时,由于高频噪声与低频基线难以避免的混入,以致很难从光谱数据中提取微弱的血糖信息,因此,提出了一种改进的小波分析光谱预处理方法以期去除其影响。该方法首先按照经验将光谱数据进行尺度J的小波分解,而后通过能量谱分析确定最终的分解尺度J。对尺度J下的细节部分进行极大极小阈值滤波,将其他各尺度下的细节部分直接置0,同时在低频部分以二次曲线拟合由人体组织散射引入的基线漂移并加以去除。将该预处理方法应用于人体血糖无创检测实验数据,以交互验证评价模型,预测值与参考值的相关系数为0.88,预测均方根误差为1.14 mmol/L,模型的预测精度得到较大幅度提高。

采用直接正交信号校正连续投影算法(DOSC-SPA)联用的组合处理方法,实现了应用可见/近红外光谱技术对水稻冠层叶瘟病的快速准确诊断。采集水稻冠层样本共120个,其中健康和染病样本各60个。用DOSC-SPA方法,对水稻冠层光谱数据进行直接正交化处理,然后通过连续投影算法提取有效波长(EW),建立了有效波长(775 nm)与叶瘟诊断判别的直接线性方程:Y=5.283X。应用该方程对预测集样本进行诊断判别,其判别准确率为95.0％,获得了满意的判别精度。结果表明,DOSC-SPA组合处理方法提取水稻冠层叶瘟诊断的特征波长是非常有效的,并且通过直接线性方程能获得满意的判别精度,为后续水稻大田叶瘟病情监测、喷药处理及相应病情监测仪器的开发提供了方法和依据。

利用针(needle)法优化技术,分别以两种不同厚度的高折射率单层膜为初始膜系,设计得到了平板偏振膜。当入射角为56°时,在中心波长1053 nm附近不小于20 nm的带宽范围内,偏振膜的p光反射率Rp<2%,s光反射率Rs>99.5%,且消光比(Tp/Ts)>200。角度特性分析结果表明,在入射角由53°增大至59°的过程中,两偏振膜的光学性能均满足设计要求,但偏振带却向短波长方向发生了移动,且带宽增大。根据蒙特卡罗容差分析,在各膜层膜厚误差独立的监控方式下,要保证成品率高于90%,则两偏振膜的最大容许膜厚标准偏差分别为1.20%和1.35%。

短波红外/长波红外分色片在红外双波段成像光学系统中起着重要的作用。分析了分色片基板和薄膜材料的选择。选定硒化锌为基板,采用Ge,ZnSe和YbF3作为薄膜材料进行了优化设计,并对沉积温度和蒸发速率等工艺条件进行了优化,用电子束蒸发方法制备了该分色片,其反射率和透射率都达到了93%以上,已成功应用于实际光学系统中。

采用哈特曼夏克传感器的薄膜应力在线测量仪测量了利用离子辅助电子束蒸发的SiO2,TiO2,Ta2O5,Al2O3与ITO薄膜在不同厚度时的应力值,并深入研究了基片材料与沉积参数对SiO2,TiO2薄膜应力的影响。研究结果表明,在成膜的初始阶段,薄膜应力与薄膜厚度基本上呈线性函数,当达到一定厚度时薄膜应力基本趋于一个定值;薄膜与基片的热失配将引起薄膜热应力,通过选择合适的基片材料可以使其降低;对TiO2薄膜而言,当基片温度低于150 ℃时,热应力起主要作用,当基片温度高于150 ℃时,薄膜致密引起的压应力占主导地位,但SiO2薄膜其热应力始终占主导地位;当真空室压强低于1.7×10-2 Pa时,SiO2薄膜的张应力主要是由离子辅助溅射效应而引起,当真空室压强高于1.7×10-2 Pa时,SiO2薄膜的张应力随着压强的增大而增大,但折射率减小。

激励光辐照薄膜的表面热透镜效应中,调制频率的大小影响样品内热波的热扩散深度。通过频率控制热波扩散深度可以探测不同薄膜层面的吸收和热缺陷分布。理论分析了不同薄膜厚度下调制频率对热扩散深度的影响。结果表明,薄膜的热导率越小、膜厚越厚,基底中的热扩散深度就越浅,不同材料的基底对吸收测量带来的影响就越小;在膜厚一定的情况下,调制频率越高,基底中的热扩散深度越浅,不同基底样品的光热信号将趋于相等。