提出一种测量大气气溶胶散射相函数及能见度的方法，并且设计了以半导体激光器为光源和电荷耦合器件(CCD)为探测器的实验装置，利用该实验装置测量了15°~45°的散射灰度值角分布。根据激光雷达方程和Henyey-Greenstein散射相函数理论，拟合气溶胶的相函数分布，计算其能见度。将拟合得到的相函数和计算的能见度的结果分别与POM天空辐射计和Belfort能见度得到的观测结果进行对比，结果表明两者一致性较好，证明了利用激光光源和CCD测量气溶胶相函数和能见度的可行性。

直射太阳光差分吸收光谱（DS-DOAS）技术用于NO2等气体的垂直柱浓度长期监测，当仪器视场中有云时，云内颗粒对光的多次散射会导致此技术的测量结果存在较大误差。针对此问题，采用DS-DOAS技术中同步测量O4垂直柱浓度的方法，判断视场内是否有云，对NO2垂直柱浓度的监测结果进行修正。统计得到了晴朗天气下由反演误差、大气扰动等因素引起的O4垂直柱浓度测量值的变化幅度为6%。O4变化幅度大于6%时，认为视场内有云。采用此方法修正了4天NO2垂直柱浓度监测结果，证实了此方法可以有效地提高DS-DOAS技术的测量精度。

掌握湍流基本规律及其廓线结构分布，是大气光学理论与应用研究中的关键问题之一。利用随机并行梯度下降算法对大气湍流廓线统计模式拟合进行了研究。在已获合肥地区整层大气折射率结构常数C2N平均廓线的前提下，以广义Hufnagel-Valley湍流模型为基础，拟合获得了该地区不同时间与不同季节的湍流模式廓线。研究发现，该方法获得的该地区湍流模式廓线在整层大气高度上均能很好地同实测平均廓线相符合，且两者所表征的整层湍流特征参量也能保持非常好的一致性。对寻求基于Hufnagel-Valley模型的通用湍流廓线模式拟合方法进行了有益的探索。

提出一种基于双并联马赫曾德尔调制器（MZM）的新型四倍频光生毫米波技术，并用于矢量信号调制。传统的四倍频调制技术，由于数据信号同时调制到+2，-2阶边带上，拍频检测后两个边带上数据信号会产生相位叠加，只适用于不归零码(NRZ)等强度调制格式。提出的矢量信号调制技术将数据信号调制在一个-1阶边带上，另一个+3阶边带不携带数据，在拍频检测后幅度和相位信息被正确保留。同时，四倍频模块降低了传输过程中对电和光器件的带宽需求。理论分析和仿真结果表明，通过此方法产生的携带在60 GHz载波上的6.25×108 symbol/s的四相相移键控(QPSK)信号，经过20 km单模光纤传输后，误差向量幅度（EVM）损耗可以忽略。

高输入信号功率时的交调失真是降低星间微波光子链路接收灵敏度的主要因素。考虑输入N路四相相移键控(QPSK)调制信号的情形，建立了强度调制/直接检测（IM/DD）星间微波光子链路模型。利用傅里叶级数展开、傅里叶变换/逆傅里叶变换和Graf加法定理，推导出了接收信号任意谐波和交调分量的解析表达式，在确定三阶交调失真个数的基础上，得到了接收光功率与信号噪声失真比（SNDR）之间的关系。着重分析了不同调制方式下链路接收灵敏度与信道数和调制系数之间的关系。当调制系数较小时，接收灵敏度对信道数变化不敏感。随着调制系数的增大，接收灵敏度先增大后减小，存在最佳的调制系数可以使链路接收灵敏度最高。

无线光通信(FSO)系统的性能受大气湍流影响会产生剧烈波动。根据系统和大气参数评估系统差错性能的研究具有现实意义。以大气湍流信道和光电探测模型为基础，使用拟合概率分布替换常用的对数正态分布，建立了FSO系统差错性能的数学仿真模型，改进了湍流条件下系统误码率计算公式，并且进行全天的验证实验。实验结果显示，光强概率分布对系统性能有显著的影响，原有公式在某些情况下的计算结果有较大偏差，而改进公式的计算结果具有更好的适应性和准确性。该改进公式可有效评估湍流条件下FSO系统性能，并为相关理论研究提供参考。

研究了波带交换中的静态业务疏导算法。波带交换可以有效地减少波长交换的端口数量，但是当波带粒度值取固定值时，波带的粒度难以取得合适值。波带的粒度大，有助于减少交换端口的数量，但是波带利用率低；波带粒度小，有助于提高波带利用率，但是交换端口的数量多。为此，提出了多粒度的波带取值方法。根据静态业务疏导与组播路由的相似性，提出了利用构造组播树解决静态疏导问题的方法。另外，为了减少波带与波长交换平面互联的端口数量，采用了同目的地的波带疏导策略，并针对这一疏导策略提出了一种新的波带疏导辅助图。仿真结果表明，相对于固定粒度的波带取值，可以有效地减少交换端口的数量，并提高波带利用率。

采用光学相位共轭补偿光纤通信系统的色散及非线性必须满足一个前提条件，即相位共轭器两边线路上的色散和非线性分布(或传输功率分布)必须严格对称，这在现有的一般传输线路（标准单模光纤加集总掺铒光纤放大器）难以实现。提出了预啁啾结合中距相位共轭的补偿方案，并进行了数值计算。结果表明，通过在发送端对输入脉冲进行预啁啾展宽，可有效地减轻非线性效应与色散的相互作用，获得理想的补偿效果；对于皮秒超短光脉冲传输，脉冲内拉曼散射相对于三阶色散对补偿结果的影响很小，因此，频域相位共轭相对于时域相位共轭具有更好的综合补偿性能。该方案简单易行，无需对已敷设好的线路作较大改动。

基于大气湍流影响下的空间相干光通信系统模型和孔径平均效应的平面波模型，通过数值模拟研究了弱光强波动条件下孔径平均效应以及大气湍流内外尺度对相干光通信系统误码率和接收孔径直径最优值的影响。研究结果表明：孔径平均效应能够有效减小相干光通信系统的误码率，改善系统性能；原始信噪比越高，传输距离越短，波长越长，相位补偿模式的J值越大，接收孔径直径越接近最优值，孔径平均效应对误码率的改善效果越明显；孔径平均效应会影响接收孔径直径的最优值，相位补偿模式的J值越大，影响越明显；系统误码率和接收孔径直径最优值会随着大气湍流内尺度的增大而相应增大，随着大气湍流外尺度的减小而相应减小。研究结果将为空间相干光通信系统设计提供必要的理论依据。

提出了一种基于声光折射对聚焦超声焦点声压进行非侵入式检测的方法。当一束直径小于声波长的平行光束入射穿过聚焦超声的焦点时，通过研究焦点声压与光线偏转的具体关系，建立了光线最大偏转距离与焦点声压变化的关系模型，从而计算出焦点峰值声压。为了对理论模型进行验证，采用凹球面型聚焦换能器进行实验研究。通过与采用光纤水听器测量的结果进行对比，证明理论模型的可行性。结果表明实验得到的光斑图像与理论分析的结果一致，且用该方法测得的焦点峰值声压与光纤水听器测量的结果相比，相对误差小于15%，证明该方法具有可行性，能够定量检测焦点峰值声压。模型的提出也为将声光折射效应用于整个聚焦声场的定量检测提供了实验依据和理论依据。

随着高分辨率传感器和大光圈的采用，光圈和反射面曲率造成的折反射全向成像散焦模糊问题越发突出。提出了一种有效去除散焦模糊的折反射全向成像系统设计。理论分析折反射成像散焦模糊的原因，建立全向图点扩展函数与实景空间物点及成像系统虚像位置的关系；在一次曝光成像时间内匀速旋转镜头对焦环，通过累积曝光使全向图散焦模糊核具有期望的空间不变性；利用反卷积算法对散焦模糊全向图进行复原，得到全局清晰的全向图像。该方法较好地解决了折反射全向成像散焦模糊问题，对提高折反射全向成像质量，促进其在相关领域的广泛应用具有重要意义。

建立了适用于红外鱼眼系统的目标运动模型，在不影响精度的前提下减少计算量是达到实时稳定地跟踪红外目标的途径之一。分析了目标在该系统成像的运动特性，结合系统帧频采样率较高的特点，提出了一种改进的匀速运动模型，并从理论上与“当前”统计模型的跟踪精度进行了对比分析。结果表明，在红外鱼眼系统采样率较高的情况下，匀速运动模型可以达到与“当前”统计模型相当的跟踪精度；利用卡尔曼滤波对模拟轨迹进行跟踪实验，验证了上述分析结果的正确性。该模型结构简单、运算量少，对于红外鱼眼系统下目标实时跟踪具有重要的意义。

针对现有的提高线阵电荷耦合器件(CCD)成像系统的图像空间分辨率的方法存在的不足，提出了一种新的采样模式，并设计了一种高分辨率成像系统。该系统利用两个相同的线阵CCD相机进行特定的空间排列，即使得相机1和相机2的CCD阵列都倾斜θ来进行扫描取像，并利用图像校正和像素插值等图像重建方法，得到高分辨率的图像。实验结果表明，倾斜角取60°的情况下，相对于单个线阵相机在θ=0°的正常采样模式下得到的采样图像，图像的空间分辨率提高了1倍，且保持了成像的视野不变。本系统工程上实现简单，十分经济且便于维护，仅利用现有的成像装置即可获取更高分辨率的图像。

为实现凝视卫星高分跟踪成像，设计了数字域时间延迟积分(TDI)互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器在凝视姿态下的成像匹配模型，推导了卫星凝视跟踪成像时相对轨道坐标系的姿态变化，采用坐标变换方法实时计算其在凝视过程中随姿态变化的行转移时间，利用蒙特卡罗方法统计计算了凝视模式下姿态指向精度和稳定度对成像的影响。利用数字域TDI CMOS原理样机和小卫星姿态控制系统全物理仿真平台对成像进行了仿真分析。结果表明，卫星的姿态控制精度在成像过程中会引起纵向的像移速度失配和横向匹配的残余像移，成像积分级数越高，图像信噪比越大。积分级数的增加对卫星姿态提出较高要求，仿真平台姿态角和姿态角速度控制精度分别优于0.05°,0.005°/s时，采用积分级数为48级能较好地满足成像质量要求。

为了测量光学成像像面各个像素的径向畸变大小，提出将小波变换载频条纹相位分析应用于径向畸变测量。采用正弦载波条纹作为测量模板，把径向畸变转化为径向调制相位。应用条纹相位分析导出径向调制相位和径向畸变的转化关系。采用小波频率估计和相位估计提取变形条纹的相位，由于变形条纹中心点是零畸变，中心点的瞬时频率和相位可以计算参考条纹的基频相位。两种基频相位之差就是与所有像素径向位置畸变分布对应的三维调制相位称为径向畸变分布。利用校正公式和立方卷积插值算法对彩色畸变图像进行校正，给出详细的理论分析和实验结果。

光刻对准中，一般将硅片和掩模对准标记制作成周期接近的光栅,通过光栅标记叠加形成的叠栅条纹的相位信息,探测掩模和硅片的相对位置关系。在实际的应用中，叠栅条纹的方向不仅与对准标记的几何位置有关，而且还与CCD的位置有关。为了将叠栅条纹的光刻对准方法推向实际应用，从矩形光栅到叠栅条纹，分析了一般光栅的相位分布规律。根据叠栅条纹相位特性分析了掩模、基片和CCD的几何位置对对准精度的影响；建立了实际对准偏差与理论值的数学关系模型。研究表明，没有角位移的情况下，当位移值小于0.4 pixel时，理论上最大对准误差低于0.002 pixel。

结合时域和频域干涉图分析方法，提出一种任意相移阴影叠栅条纹图相位解调技术，降低了干涉图在采样过程中对相移量的严格标定要求，补偿了相移阴影叠栅技术固有的相移不匀误差。使用空域技术确定采样干涉图的正交信号，进而得到了采样干涉图的相移量，然后运用任意相移相位提取算法搜索测量相位信息。实验证明此方法简单方便、求解迅速，且优于典型的相移算法，其测量误差的标准差不超过3×10-3 mm，该方法为提高相移阴影叠栅技术的测量精度提供了有效手段。

在高精度的摄影测量中，图像处理精度对整体测量精度起着至关重要的作用，但成像过程中摄像机对特征点图像的离散化采样，会造成图像与原始信号的失真，从而带来图像处理环节的误差。通过对图像处理过程中特征点总能量、能量分布弥散半径和图像处理窗口的特性分析，并以特征点中心位置、提取误差大小和能量密度函数的标准差之间关系为基础，提出一种针对离散化采样的误差补偿法。该方法仅需标定一次补偿参数，适用于所有摄像机和算法，可显著提升原有图像处理精度。实验证明，对于质心法和高斯拟合法，该补偿法可将图像提取精度提高到0.03 pixel。

为实现同步辐射用光学元件面形的绝对检测，发展了镜面旋转对称三平板检测法。该方法将菲佐干涉法检测到的波前函数关于y轴分解成镜面对称部分与镜面非对称部分，再利用N次旋转取平均值消除镜面非对称部分，从而通过计算获得待测平面的绝对面形分布。推导了镜面旋转对称法检测矩形平面镜面形的公式，应用该方法设计了高精度矩形平面镜的测试实验，并进行了误差分析。实验结果表明，与传统三平板绝对测量方法相比较，两种方法在高度轮廓误差和斜率误差方面的计算结果都符合较好，其对比后的残差均方根(RMS)值分别为λ/500(λ=632.8 nm)与0.93 μrad。

为进行快点火实验，需对高能拍瓦激光聚焦系统中的核心元件即大口径离轴抛物面，进行深入量化研究，以便对其结构选型和精密调整提供准确的理论依据。利用基于严格的矢量衍射理论的数值计算方法，并结合像差分析得到了大孔径、大离轴量的抛物面镜(OAP)的物理光学成像特性。首先用理想平行光入射，得出OAP的三维平动公差与其焦深密切相关，OAP绕旋转对称轴的转动可归结为平动问题，其公差与焦深也有简单关系；入射光轴失准时，像散占主导作用，并可由一结构因子来定性描述其对像斑的影响。其次当入射光有一定的发散角时，除引起最佳像面位置变化外，还会由于OAP不对称性而引起的彗差使得像斑的峰值光强大大降低，并论述了OAP的结构参数对此的影响。

根据实验制备的钠硼铝硅酸盐PbSe量子点玻璃及其透射电子显微镜(TEM)图、吸收谱和发射谱，计算机数值模拟了以PbSe量子点作为激活增益介质的红外单模光纤激光。应用遗传算法，通过数值求解粒子数速率方程和激光谐振腔振荡方程，优化计算了量子点光纤激光器(QDFL)的最佳抽运波长、光纤长度、掺杂浓度及出射镜反射率。结果表明：饱和抽运功率为2 W，在1676 nm激光波长处，QDFL最大输出功率可达1.36 W，抽运效率达68%。与通常的掺稀土离子（Yb3+、Er3+）的光纤激光器相比，QDFL具有抽运效率高、激励阈值低、掺杂密度可调、光纤饱和长度短等特点。由于量子点辐射波长的尺寸依赖特性，容易形成多波长激射或波长可调的新型激光器。

研究了外腔式PbWO4拉曼激光器在纳秒脉冲抽运下的输出特性。利用主动调Q的Nd:YAG激光器产生的脉冲宽度为31.4 ns，最大输出能量为200 mJ的1064 nm激光作为抽运源。拉曼激光谐振腔采用的是平凹腔设计。测量了输出的拉曼光脉宽与抽运能量的关系，分析了输出的拉曼光脉冲波形图和光谱图，测量了输出的拉曼光脉冲能量与抽运能量的关系，计算了转换效率与抽运能量的关系。当注入抽运光能量达到42 mJ时，得到了一阶斯托克斯光脉冲的最大能量和转换效率分别为10 mJ和24%，获得外腔式PbWO4拉曼激光器的一阶斯托克斯光脉冲波长为1177.6 nm，典型的一阶斯托克斯光脉冲脉宽为20 ns。

提出了一种面向大视场高精度视觉测量的摄像机标定新方法，该方法采用亮度自适应的单个红外发光二极管(IR-LED)作为目标靶点，将该靶点固定在三坐标测量机的测头上，并依次精确移动至预先设定的空间位置，每次靶点到达设定的空间位置时，摄像机对靶点进行图像采集。利用三坐标测量机的精确位移，在三维空间构成一个虚拟立体靶标。针对虚拟立体靶标在大视场摄像机标定中只能覆盖一小部分标定空间的问题，通过自由移动摄像机在多个方位对虚拟立体靶标进行拍摄，使得多个虚拟立体靶标分布于整个标定空间。摄像机在每个方位对虚拟立体靶标的拍摄都标定出一组摄像机的内、外参数，然后以摄像机内参数和摄像机在各个方位下拍摄的虚拟立体靶标在摄像机坐标系下的位置及姿态参数为优化变量，建立以所有三维靶点位置重投影误差平方和为最小的目标函数，采用非线性优化方法求解摄像机标定参数的最优解。该方法较好地解决了大视场视觉测量中大尺寸靶标加工困难、摄像机标定精度难以保证的问题。仿真和实际标定实验均证明此方法可以有效提高大视场摄像机的标定精度。

为了研究纳米晶在溶液中的生长规律，设计并实现了一个能够实时监测纳米晶生长的原位透射光谱系统。利用该系统对PbS纳米线和纳米点在水相中生长过程进行了原位光谱检测，发现十二烷基硫酸钠对PbS 纳米晶的定向生长起了非常重要的作用。

采用高温熔融热处理法，以ZnSe作为PbSe量子点的硒源，成功制备了较高浓度的PbSe量子点硅酸盐玻璃。透射电子显微镜（TEM）测试表明，量子点在玻璃基质中的体积比高达2%~4%，高于采用Se作为硒源时的掺杂体积比。X射线衍射（XRD）测试表明，PbSe量子点呈立方晶体结构。光致发光（PL）光谱测试表明，量子点有强烈的荧光发射，发光波长半峰全宽(FWHM)覆盖1400~2600 nm，其PL峰值强度和FWHM均大于以Se为硒源时的情形。以ZnSe代替Se作为PbSe量子点的硒源，可有效避免Se组分的高温挥发，同时，残余Zn形成的ZnO有利于玻璃中PbSe量子点的析晶，从而提高了PbSe量子点在玻璃中的含量。该PbSe量子点玻璃，可用来进一步制备成超带宽、高增益的红外光纤放大器。

在激光惯性约束核聚变(ICF)精确打靶中，对激光束变换、整形和控制要求苛刻，通过数字在线操控技术能够在线实现激光系统的自动校准，而频率变换是数字在线操控技术中的关键一环。在不进行逼近迭代计算的情况下，基于可逆的傅里叶变换和龙格库塔算法，对神光II终端靶场系统中负单轴晶体KDP的“I+II”类频率变换的逆问题进行了探讨和相应的算法研究，并给出了对应的模拟计算结果。最后，与神光装置运行的实验数据进行比对，验证了频率变换逆问题算法的正确性和稳定性。

采用高温二次化料的方法制备一种多梯度折射率芯光纤所用掺镱锂硅酸盐玻璃，测量了玻璃样品的吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命，利用McCumber理论计算了该玻璃系统中镱离子的2F5/2→2I7/2能级跃迁受激发射截面。研究表明锂硅酸盐玻璃中Yb3+在1006 nm处的σemi为0.38×10-20 cm2，荧光有效线宽为82.4 nm，荧光寿命为1.31 ms。在530 ℃高温硝酸钠熔盐中，对玻璃Li+-Na+离子交换到达中心轴前后制作的梯度折射率透镜的成像和折射率分布特性进行了研究。光谱分析和离子交换实验结果表明，该玻璃是制作梯度折射率光纤的理想材料，可用于多梯度折射率芯光纤的制作，是大模场光纤的候选材料。

采用自组装法制备了聚苯乙烯（PS）微球三维光子晶体结构，通过在PS微球悬浮液中掺入不同浓度的二氧化硅大球，实现了光子晶体结构从有序向无序过程的转变。通过对这些样品的透射、反射进行测量和分析，发现无序效应对光子晶体的光子响应特性具有极大的影响，随着无序程度的增加，高频波段的透射率急剧下降，低频波段的法布里珀罗振荡消失，光子带隙蓝移且逐渐消失；而在掺杂浓度为0.02%(质量分数)时，光子晶体带隙中心的最低透射率从10%下降到1%，且反射单峰随着探测角度的增大而分裂为双峰。这有助于基于介质球三维光子晶体沿Γ-L方向透射消光，促进其在新型光学器件领域的应用发展。

体视学是由形态学与数学交叉形成的一门新兴学科，通过二维结构信息定量测量和分析三维形态结构特征。采用体视学点计数方法，对肿瘤细胞B16F10、B16/Vector及B16/GPR4各20组的共聚焦显微镜图像进行测量，定量分析了其三维形态参数的差异。对比三类细胞的体视学参数发现，对照组B16/Vector和原始细胞B16F10没有明显差异，实验组B16/GPR4的细胞比表面及相对形状因子参数与另两类细胞相比均表现出了显著性差异(p值分别小于0.05和0.02，即B16/GPR4细胞形态光滑，没有较多的突触和伪足)，与前期Transwell小室细胞侵袭及迁移实验研究结果相吻合，体现出B16/GPR4细胞中G蛋白耦联受体4(GPR4)基因对细胞迁移性抑制的生物特性。研究结果表明，体视学和激光扫描共聚焦显微镜细胞图像的结合，可以实现细胞三维结构参数的快速测量，是细胞生物学尤其是细胞形态学分析的有效研究方法。

利用强非局域非线性介质中傍轴光束传输的修正Snyder-Mitchell模型讨论了两束共线（即光束中心和传输方向都相同）拉盖尔高斯型光孤子(CLGS)构成的涡旋光孤子传输过程。在一定条件下，涡旋光束在传输过程中，光束截面光斑发生旋转现象，但光束的束宽保持不变，称之为旋转涡旋光孤子。涡旋光孤子旋转的现象可以通过叠加光场中的古依相位来解释。结果展现了几个旋转涡旋光孤子在传输过程中的旋转现象和强非局域介质中多环形旋转涡旋光孤子的传输。

为了得到闭路光折变有机聚合物中存在非相干耦合亮暗光伏空间孤子对，采用数值模拟的方法，对稳态情况下两束互不相干的光束，在闭路光伏光折变有机聚合物中的传播进行了研究。结果表明，具有相同偏振和相同波长的两束互不相干的光束，可在光伏光折变有机聚合物中形成非相干耦合亮暗光伏孤子对。在给定适当参量或扰动不太大的情况下，孤子对中的亮孤子和暗孤子都能在光伏光折变有机聚合物中稳定传播。研究结果可为光折变有机聚合物空间孤子理论的发展提供理论依据。

光刻投影物镜中透镜的面形精度是影响光学系统成像质量的关键因素之一。为实现透镜面形精度均方根（RMS）值优于2 nm的高精度指标，提出一种轴向多点挠性支撑、径向三点可调式定位的光学透镜支撑结构。基于自重变形对支撑结构进行优化设计，深入分析在此支撑结构下自重和热载荷对透镜面形影响。结果表明，重力引起的透镜上表面面形RMS值为0.186 nm，下表面面形RMS值为0.15 nm。热载荷引起的上表面面形RMS值为0.55 nm，下表面面形RMS值为0.54 nm。采用这种透镜的支撑结构，能够满足光刻投影物镜中透镜的高精度面形要求。

推导了单位圆域和单位方域内的双变量正交多项式曲面的数学模型，详细分析了将不同正交多项式曲面应用于自由曲面拟合的精度问题。采用均匀随机、阵列分布和环状辐射三种采样方式，并选择具有代表性的普通非球面、自由曲面以及Peaks自由曲面进行了大量的拟合实验。实验结果表明：三种采样方法中，阵列采样的拟合适应度最高；XY多项式和正交XY多项式的拟合适应度最高；方域和圆域内正交的泽尼克多项式在曲面拟合中优势显著；双变量正交切比雪夫多项式在方域内、阵列采样的情况下曲面拟合优势明显。

提出一种新型眼底成像系统，结构更加简单、紧凑。系统的成像和调焦投影光路共用调焦镜，调焦投影光路完全嵌入到照明光路。调焦投影光路不再专设照明组件，避免了投影目标和调焦镜之间的机械联动结构。并且充分利用了网膜物镜系统的空间。利用LED光源窄带宽的优势，瞄准和拍照过程共用一个电荷耦合器件相机。采用新的光学结构，设计了一款视场30°、工作距离30 mm的眼底相机光学系统，眼光焦度补偿范围-10 m-1~+5 m-1，物方各视场分辨率为45 line/mm，畸变小于5%。

利用非成像光学中流线法和同步多曲面(SMS)法，设计一种具有发散角小、均匀度好和光效高的LED准直器。设计中由复合抛物面(CPC)完成初级配光，将朗伯光源±90°的发散角缩小到±45°，再以SMS法设计的多重自由反射曲面实现准直均匀配光，并由光学扩展量给出准直器的理论光效，最后引入平顶宽度、平顶光效和平顶均匀度等的定义，以更好地反映准直光束质量。光学仿真结果表明，准直器的发散角小于±2.26°，整体光效达到0.79，理论与仿真光效的误差小于2.5%，在0.9平顶宽度范围内光斑均匀度大于等于0.9，平顶光效为0.56，效果良好。

双波段/多波段融合成像技术受到普遍重视，使得双波段光学系统尤其是可见光/长波红外(VIS/LWIR)成像系统成为研究的重要方向之一。在分析反射式、折反式和折射式双波段成像系统的结构形式以及常用的折射共窗口系统的组成和特点的基础上，针对双波段系统在应用中的欠缺，设计了一款可用于手持式设备的VIS/LWIR共窗口折射望远系统，系统的主要技术指标为：0.6~0.8 μm (VIS)，8~12 μm (LWIR)，VIS=47 mm，IR=58 mm，2ω=9.8°，FVIS=2，FIR=1.3。设计结果符合各项指标，像质在两个波段均满足使用要求。整个光学系统尺寸为51 mm×93 mm×136 mm，结构紧凑，实用性强。

为减小温度对航空变焦距镜头成像质量的影响，设计了一种基于差动原理的被动消热结构。通过NX Nastran有限元分析软件对变焦镜头在高温和低温两种工况下进行了热分析，利用消热原理及分析数据对变焦镜头4个组件进行了消热设计。对消热设计前、后的变焦镜头进行了消热结构耦合分析，分析结果表明变焦镜头经过消热设计后最大热变形量减小了0.03 mm。利用泽尼克系数作为数据接口，将获得的热结构分析结果作为光学分析软件Code V输入，仿真出了消热设计前、后变焦镜头在+55 ℃时的光学传递函数曲线。和镜头设计传递函数值相比，消热设计前镜头在78 lp/mm处传递函数值减小约0.2，传递函数值下降了50%，而消热设计后镜头传递函数值基本保持不变。仿真结果证实了消热设计的有效性。最后通过实验验证了仿真结果的正确性。

光纤照明由于具有成本低、安全性高、便携性好和装饰性强等优势，已经逐渐进入了人们的视野。然而，现阶段的光源[特别是发光二极管(LED)]由于辐射发散角大，与照明光纤的耦合效率普遍较低。为了解决这个问题，根据全反射原理，设计并制作了一种LED照明光纤耦合器。经过实验验证，该耦合器具有聚光性强、耦合效率高、体积小、制备简便和成本低等优点，是一种能够有效提升LED光纤耦合效率的方式。

利用基尔霍夫衍射理论计算模拟了四圆孔径衍射屏在菲涅耳深区形成的衍射光场的强度、零值线和相位的分布，发现衍射光场亮斑关于中心呈对称分布，在距离衍射屏较近的观察面上，光强值为零的点组成光强零值线段，该线段上光强等值线的离心率都接近或等于1，其两侧的光强值变化非常剧烈。复振幅的实部和虚部零值线多为封闭的曲线，零值线交叉点的个数为偶数，并且正负相位奇异点的个数相等。特殊相位奇异点周围的相位不仅呈对称分布，而且该点的拓扑荷的值近似为零。随着光波的传播, 在不同的观察面上光强零值线段逐渐变短，最终趋于一点。

选取2007年1、4、7、10月4个月夜间无云的云气溶胶激光雷达和红外探测者观测卫星(CALIPSO)星载激光雷达Version 3.01数据，提取532 nm激光海面后向散射系数并计算海面波浪均方斜率。同时选用准同步AMSR-E海面风速数据，利用Wanninkhof等于2009年提出的包含线性、平方、立方项的海面风速与气体传输速率混合关系模型计算海水施密特数为660时的海气界面气体传输速率k660。通过回归分析，得到由星载激光雷达数据反演k660的关系模型。将激光雷达数据反演结果与采用4种典型海面风速关系模型的计算结果进行比较，给出由星载激光雷达数据反演的4个月平均的海气界面气体传输速率全球分布图和纬度分布图。研究表明，CALIPSO星载激光雷达532 nm单脉冲测量数据可用于反演海气界面气体传输速率。

提出了直视合成孔径激光成像雷达（SAIL）概念，发射采用两个正交偏振同轴且相对扫描的空间抛物波差的光束，接收采用自差及相位复数化探测。在交轨向产生与目标点横向位置正比的线性项相位调制，在顺轨向产生以目标点纵向位置为中心的二次项相位历程，成像处理采用傅里叶变换实现交轨向聚焦和采用匹配滤波实现顺轨向聚焦。直视SAIL与侧视SAIL一样能够使用小光学孔径在远距离实现高分辨率二维成像，但具有本质独特性即线性和二次相位项和光学足趾及其相关联的成像分辨率无论在设计和使用时都具有很大的控制调整范围，并克服了存在于侧视SAIL中的许多技术难点。直视SAIL在原理和方法上都属于光学领域。给出了直视SAIL的一般性体系结构，在数学上详细描述了包括目标信息获取和成像处理的基本原理。

根据三维重建理论，基于目标的多角度视图，重建了目标表面的三维点云。利用德洛奈三角剖分法结合可见性原理，得到了目标的曲面和曲面面元的法线方向。根据粗糙面散射理论和目标表面的双向反射分布函数(BRDF)，结合大气传输软件Modtran计算的某时间、地点的背景光谱辐射亮度，数值分析了目标光谱散射亮度分布特性。以覆盖车衣的汽车为例，重建的三维几何模型误差为4.11%，数值计算了目标在三个波段的光谱散射亮度分布。上述方法可以进一步用于卫星和其他空间目标的光谱辐射、散射特性研究。

利用非分散红外(NDIR)技术研究了非线性吸收现象对多组分气体分析交叉干扰扣除的影响及其修正方法。理论上推导了由于非线性吸收导致的干扰系数变化对系统测量准确度的影响。对常规的干扰方程组进行了修正，使用干扰函数来定量分析气体间的交叉干扰，当测量气体存在非线性吸收时，干扰函数也会发生相应变化。基于最小二乘法，以三阶多项式为拟合模型，拟合出了系统的干扰函数。利用拟合的干扰函数，通过实验证明了提出的修正方法在系统存在非线性吸收现象时仍能有效地扣除气体间的交叉干扰。

研究了月球表面高温、强辐射的空间环境下Mo/Si多层膜的热稳定性和辐照稳定性。Mo/Si多层膜采用磁控溅射法镀制，将制备好的多层膜在100 ℃和200 ℃高温下加热，利用激光等离子体反射率计和X射线衍射仪(XRD)对加热前后的多层膜进行了测量。结果显示在200 ℃以内，多层膜反射率和中心波长没有显著变化，表现出良好的热稳定性。利用Monte Carlo方法模拟了质子在多层膜内造成的缺陷的分布和浓度分布。模拟显示，能量大的质子沉积在多层膜内部，造成的缺陷也集中在多层膜内部。用能量为60 keV，剂量分别为3×1012 cm-2和3×1014 cm-2的质子对Mo/Si多层膜进行辐照实验。发现多层膜内部出现了烧蚀损伤缺陷及节瘤缺陷。结果表明能量相同时，辐照剂量越大对多层膜反射率影响越大。

设计了一套具有一定实用意义和科学价值的薄膜生长荧光显微图像实时采集与分析系统，可以实现透明衬底上有机荧光分子薄膜生长的实时原位监测。进一步阐明了系统的硬件构筑思路和软件设计架构，并依据薄膜的形貌特征，给出8个主要生长信息参数及其求取算法，并利用自行搭建的实验系统，针对联六苯(p-6P)分子在云母衬底上的纳米纤维生长过程，得出了其准一维的线性生长规律。该系统作为重要的薄膜生长成像监测技术，有望在薄膜与衬底表面相互作用和衬底微区结构特性研究等方面起到积极的作用。

利用紫外光诱导还原金属前躯体硝酸银（AgNO3），直接在聚乙烯醇(PVA)薄膜中生长银纳米颗粒，成功制备出 PVA/Ag纳米复合材料薄膜。利用紫外可见吸收光谱分析了银离子浓度、紫外光辐照功率和辐照时间对薄膜光谱的影响趋势。通过优化硝酸银浓度、辐照条件来调节薄膜中银纳米颗粒的尺寸和空间分布密度，成功地将此复合薄膜的等离子共振吸收峰位调节为406 nm，并用于蓝光（405 nm）激光直写光刻。扫描电子显微镜（SEM）观察表明，该材料中纳米颗粒分布均匀，粒径分布较窄； X射线光电子谱（XPS）证实了合成的纳米颗粒为单质银；原子力显微镜（AFM）分析显示薄膜光刻后获得了表面清晰、光滑、规整的图形。

用5幅ISO SCID图像在EIZO CG19显示器上分别进行了两组图像色差等级评价实验。两组实验分别在室内自然照明环境和标准灯箱中进行，用目视评价实验数据检验并优化彩色图像色差的计算公式。用CIELAB、CIEDE2000、CIE94和CMC色差公式对第一组实验数据计算结果表明，现有色差公式计算的图像明度差和彩度差与实际色差感觉有明显的系统性差异，图像内容对计算色差与色差感觉的关系有一定影响，说明需要对原始色差公式进行改进。提出了用实验数据拟合直线斜率比值优化色差公式的方法，得到CIELAB(1.501)、CIEDE2000(2.291)、CIE94(3.041)和CMC(3.381)计算的色差比原始公式有明显的改善，其中CIEDE2000(2.291)计算结果受图像内容的影响最小。用第二组实验数据检验色差公式的优化效果也证明，这种优化方法准确，简单，具有普遍适用性。