在水的光学特性影响下, 为了对水下目标进行实时探测, 通过研究螳螂虾视觉偏振成像原理, 仿照其独特的复眼结构, 充分利用分振幅和基于孔径分割技术, 设计了一种新型的水下实时偏振成像系统。采用四通道阵列结构和双通道阵列相结合, 用圆偏振技术和线偏振技术对水下目标进行实时成像。通过Zemax软件实现该系统设计, 系统焦距为35 mm, F数为4, 工作波长为可见光波段486 nm～656 nm, 半视场角为±2.5°。设计结果表明: MTF>0.7(@60 lp/mm ), 系统弥散斑<9 μm, 畸变小于0.5%, 可满足成像要求。

为了优化PIN光电探测器响应特性, 首先依据载流子速率方程, 并考虑芯片寄生参量和封装寄生参量, 建立光电探测器的等效电路模型。然后仿真分析了反偏电压、I区宽度、光敏面、芯片寄生电阻和电容、封装寄生电阻、电容和电感对光电探测器脉冲响应特性和频率响应特性的影响。结果表明: 通过增大反偏电压, 减小光敏面和寄生参量(芯片寄生电容和电阻, 封装寄生电容和电阻), 选取合适的I区宽度, 利用引线电感的谐振效应现象, 可以抑制脉冲响应波形畸变, 提高频率响应带宽。

介绍了一种由两个角反射镜构成的气体传感器吸收池。利用角反射镜的反射特性和对光束的倾斜不敏感性, 提高了吸收池的稳定性和灵敏度。用几何光学方法分析光束的传输特性。提出了探测光在单波长和双波长时的传输方程和系统的测量方程, 构建了一种气体浓度检测系统。探测光在吸收池中来回传播的次数N由两个角反射镜的轴间距离决定, 差分光吸收光谱(DOAS)的灵敏度与光在池内的传播次数N成正比。在N为3时, 电池的检测阈值接近50 ppm。

硅纳米线是新型一维半导体纳米材料的典型代表。利用阳极氧化铝薄膜为模版复制出具有有序纳米结构的金膜, 在金的催化辅助下对单晶硅进行湿法刻蚀, 得到尺寸、形状、分布可控的硅纳米线阵列, 并对其光学特性进行了研究。研究结果表明, 金代替银作为催化剂, 可以有效地抑制二次刻蚀, 金的化学性质相对于银更加稳定, 克服了银膜在较高的温度或较长刻蚀时间下产生的结构性破坏, 得到形貌规整、尺寸可控的硅纳米线阵列。对该阵列在400 nm～1 200 nm波段的反射率、透过率进行了测试, 并对比分析了金模板催化与传统方法机理的异同。测试结果表明, 相较于传统金属辅助化学刻蚀法, 文中提出的金模板催化法制备的硅纳米线阵列尺寸及分布更加均匀可控, 在宽光谱范围内的抗反射性得到了显著提高。

室内停车场是静态交通的一个重要组成部分, 由于缺乏有效的室内定位技术, 目前存在着泊车导航以及反向寻车困难的问题。提出一种基于LED照明灯光的可见光室内停车场定位导航系统, 实现了面向车辆的停车位引导和面向行人的反向寻车导航, 具有定位速度快、定位精度高和"照明定位两用"的优势。实验结果及现场测试表明: 该系统定位精度可达到7.5 cm, 可支持车辆或行人在时速达17 km/h下的实时定位导航。

在对目前水下成像系统现状进行调研后, 分析了影响水下成像距离和成像质量的主要因素, 即后向散射。突破了传统水下成像系统分视场、多探测器的成像方式, 利用光学设计软件Zemax设计了一款大相对孔径、大视场的水下成像光学系统。系统只采用一个光电探测器, 波长486 nm~656 nm, 相对孔径1/1.8, 视场角120°, 采用9片透镜, 无非球面, 简化了透镜加工过程及成本。中心视场的艾里斑尺寸3 μm , 在奈奎斯特频率60 lp/mm, 时, 各视场的调制传递函数曲线均高于0.7。同时, 对大视场系统产生的高畸变进行校正, 畸变小于5%, 成像质量很好。此系统可广泛应用于水下探测、海洋开发、海底资源勘探、水下反恐等领域。

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质, 设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在(3.7～4.8) μm和(7.7～9.5) μm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为200 mm, F#为2。采用像元数为320×256、间距为30 μm的制冷型探测器。该系统在空间频率17 lp/mm时, 中、长波红外MTF分别高于0.66和0.54; 最大RMS半径小于11.702 μm; 波前像差小于0.191 7λ; 最大离焦量小于焦深; 在-55℃~71℃范围内实现了无热化设计。入射到衍射面上的角度为0°～5.19°, 该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为99.81%和97.36%。含有双层衍射光学元件的红外双波段光学系统结构简单, 像质优良, 可以广泛应用于**探测系统中。

为进一步推广激光白光光源在汽车大灯、投影、背光显示等领域的应用, 对激光白光光源的合成方式进行了介绍, 从泵浦源、光转换材料、光学系统3个方面详细解析了激光照明系统的关键组成要素。通过理论分析, 计算出了激光照明系统中最高理论光光转换效率为498 lm/W。然而, 受困于技术和工艺难题, 目前激光照明系统的最终效率仅约为17%。随后, 在对适用于高亮度激光照明系统的光转换材料进行总结后, 创新性地利用一种棒形(长度> 10 mm)YAG陶瓷(Ce<0.1 at%)来匹配高流明密度蓝光; 并从光学设计的角度, 提出一种光转换材料的“透镜型”结构来综合提升光效。最后, 结合专利分布情况, 对激光照明系统在激光显示、可见光通信等领域的前景与应用进行了展望。

利用辅助微分时域有限差分法求解了任意色散周期模型的电磁波传播问题。利用共轭复数对形式对任意色散媒质进行参数拟合, 并将任意色散媒质的介电常数表示成公式形式, 在FDTD迭代式中引入辅助微分方程, 推导出了适用于多层任意色散模型的通用递推公式, 分别求解了Debye、Drude与太阳能电池周期结构模型的电磁特性仿真问题。仿真结果表明: 数值计算结果与CST商业软件仿真结果基本吻合, 证明了所构建方法的有效性与普适性。

为实现对望远镜系统中光学元件表面缺陷在线检测, 介绍了一种用于光学元件表面缺陷检测的变焦距成像光学系统, 采用机械变焦形式实现变焦功能。根据望远镜系统技术要求计算出变焦距系统的关键参数, 通过Zemax软件设计并优化得到最终结果, 整个变焦系统的设计实现了90 mm~540 mm的6倍变焦, 在变焦过程中F数和像面位置保持不变, 变焦系统总长为553.1 mm。从调制传递函数(MTF)、点列图2个方面分析了系统的成像质量, 系统在各焦距处的MTF值在100 lp/mm处均大于0.3, 物方分辨率优于0.055 mm, 在不同焦距处弥散斑半径均方根值均控制在艾里斑半径范围内。最后对系统环境适应性进行了分析, 讨论了工作温度范围为-10℃~40℃时对系统成像质量的影响, 并给出了温度补偿方案。实验结果表明, 补偿后的系统成像质量良好, 满足实际需求。

光启云端号平台是用电缆绳索牵引气囊的, 由于空中航拍摄像系统悬挂在气囊下方, 摄取的图像不可避免地含有绳带信息, 这些绳带信息影响图像质量, 所以在场景分析和目标检测中需要剔除。提出一种基于U-net模型的绳带检测算法, 引入深度可分离卷积提高计算速度, 采用一种带权重的交叉熵作为损失函数, 解决类别不均衡带来的收敛不稳定问题, 最终的模型能够用较少的样本在较短的时间内, 快速准确地检测绳带, 利用快速行进修复算法(FMM)对绳带图像进行了修复。实验结果表明: 该算法的mIOU达到62.8%, 得到了较好的去绳结果。

为了解决相关滤波视觉跟踪算法在复杂场景中产生的跟踪漂移问题, 提出一种融合检测机制的相关滤波跟踪框架。利用时空正则化滤波器作为跟踪器, 同时使用线性核相关滤波器作为检测器。当跟踪器与目标进行相关计算得到的响应图为多个峰值时, 激活检测器, 对多个峰值进行相关匹配, 获得重检测结果; 同时, 使用平均峰值相关能量的滤波器模型更新策略得到更加可靠的检测器, 以达到提高跟踪精度和算法鲁棒性的目的。在OTB2015、Temple color 128和VOT2016数据平台上的实验结果表明, 与近年提出的性能较出色的跟踪算法相比, 本文算法在目标运动模糊、相似背景干扰和光照变化等复杂场景中具有更好的鲁棒性和准确性, 且跟踪精度和成功率上均有提高。

近年来, 随着深度神经网络的发展并被应用在超分辨领域, 图像超分辨率重建的效果得到了明显的提升。但是之前的工作大都把精力放在如何设计深度模型来提高重建的效果上, 而忽视了设计模型需要大量参数与计算量这一问题, 严重制约了深度学习方法在图像超分辨率重建方面的实际应用范围。针对该问题, 基于密集连接结构设计了一种新的网络。在以下3个方面进行了算法改进: 1) 提出了一种基于密集连接结构的新模型; 2) 加入1×1卷积层作为特征选择层, 同时进一步减少计算量; 3) 探讨了通道数量与重建精度、计算量之间的关系。实验结果表明本文提出的模型取得了与其他卷积神经网络模型相近的复原精度, 同时计算速度只有之前最快深度模型FSRCNN的一半以下。

针对雾、霾等恶劣气象条件下, 视频监控等户外视频设备对视频图像实时复原的需要, 提出一种快速图像复原算法的FPGA实现方法, 通过适当降低算法复杂度达到了降低时间开销和硬件实现复杂度的目的。通过将一帧视频分解成3×3小窗口进行运算, 以窗口中心像素的流水计算替代一帧视频像素计算, 使每个像素在3个时钟周期内完成全部运算, 确保了系统能够实时复原, 降低了复原模块对硬件的开销。实验证明: FPGA处理结果和MATLAB处理的结果相符, 可以在保证除雾效果的前提下, 实时处理分辨率为640×480视频并以29帧/s速度流畅显示。

受光照条件和噪声影响, 采用摄像方法检测裂缝时, 常用的边缘提取算法适用性较差。为此, 提出累积梯度算法用于计算裂缝边界。首先采用自适应二值化方法和图像形态学操作得到掩模图像。将掩模图像作用于原始图像, 得到扩充的裂缝区域图像。对该图像进行迭代膨胀, 对图像灰度值相加得到累积灰度值, 再用膨胀前后2幅图像的累积灰度值相减其差值最大时为累积梯度, 并将膨胀前的图像作为提取的裂缝。实验结果表明该方法能够在复杂背景下提取得到裂缝。

汽车焊缝涂胶能够提高车身密封水平, 需要对胶条进行检测并且获得三维信息。激光三角法是应用广泛的检测方法, 其关键技术之一是准确提取光条中心。但针对黑色被检胶体, 光条中心提取鲁棒性差, 因此提出了一种基于光条分割的Hessian矩阵定位和高斯曲线拟合的算法。首先, 将整体图像对比度提高, 运用去噪算法消除干扰的噪声; 然后用极值法初步定位光条, 结合Hessian矩阵对激光条的中心进行定位; 最后利用高斯曲线准确拟合出激光条的中心。实验研究表明, 在对光条图像添加噪声幅度为100的白噪声之后进行处理, 同样能够将精度控制在亚像素级别, 能够提高黑色被检测物体的光条的稳定性。

结合目标偏振信息和大气偏振信息的差异, 提出了一种利用目标和大气偏振信息的雾天图像重构方法。首先, 从光强图像中分离大气光图像和目标光图像, 分别解析大气光偏振信息和目标光偏振信息, 构建偏振去雾模型。然后, 采用融合图像梯度信息的高斯滤波方法估算大气光强和目标光强, 并分别计算大气光偏振度和目标光偏振度。采用3σ法则阈值分割方法, 在大气光图像空间内估算无穷远处大气光强。最后, 重构出目标图像。在不同天气环境下开展外场实验, 结果表明, 该方法在雾霾、雨、雪天气下能够较好地恢复出目标信息, 重构后图像的信息熵提升约40%, 灰度标准差提升了约90%, 平均梯度和边缘强度提高了3倍。

相邻两片成像传感器的拼接区能够形成具有相同目标景物的图像, 是提炼像移信息的关键, 具有相同目标景物的图像并非贯穿于每次成像任务全程, 无相同目标景物期间的像移估计问题仍然存在。提出基于遥感图像及工程参数的全局像移探测算法, 试图对包含无相同目标景物期间在内的像移进行全覆盖探测。根据拼接区成像特点, 将成像过程分为无相同目标景物和有相同目标景物两个阶段: 在无相同目标景物阶段, 利用工程参数计算像移的低频分量, 建立基于拼接区图像和像移低频分量的目标函数, 衡量像移曲线与低频分量之间的偏离程度; 采用最速下降法搜索偏离度最小值点, 作为无相同目标景物期间像移的最优估计; 推导有相同目标景物期间的像移计算公式, 利用无相同目标景物期间的估计值求解像移。以XX-1号空间光学遥感器为实验对象, 检测到0.133 Hz、7 pixels左右的像移, 可探测的时间范围包含最初226 ms的无相同目标景物阶段, 且显著削弱了盲点处的像移测量偏差。实验结果证明, 提出的算法能够对包含无相同目标景物期间的全局像移进行有效测量。

传统的纸张厚度测量方法只能测量纸页某一点厚度, 该类方法会因为纸张厚度全场分布不匀带来测量误差。针对该问题, 提出利用数字散斑投影的纸页厚度检测方法, 向待测纸页投射散斑图案, 并构建散斑投影的实验测量系统, 通过三维数字图像相关的算法处理, 得到纸页的形貌以及厚度。实验表明, 对纸张厚度名义值为0.180 mm的实验样品进行测量, 结果为0.177 mm, 对该方法进行重复实验, 测得的相对误差小于4%, 而且该方法能够直观地显示纸页的全场分布。此外, 提出的纸页厚度测量方法具有结构简单、非接触式测量、全场测量等优点, 为纸页生产中的厚度检测提供了新思路。

激光三角法具有非接触测量、测量范围大、相对测量精度高、结构简单、环境适应性强等多种优点, 得到了广泛应用。但是三角测量的理论公式具有非线性特征, 而且光学结构参数(a、b、θ)等在现实工程中具有不可测性。研究了三角测量中数学模型的建立方法, 选用多项式展开方法建立数学模型。通过应用最小二乘法拟合多项式的方法求解模型系数, 提出了根据最大相对拟合残差要求、结合相关系数用于控制拟合多项式阶数的评价方法, 并通过实际光学系统验证了该方法的可行性, 达到了0.01%的相对误差。最小二乘法拟合多项式的方法对于激光三角位移传感器的标定和系统误差消除具有实际的指导意义。

薄凸透镜是光学仪器中最重要、最基本的元件, 在天文、**、医学等众多领域发挥着重要作用。焦距是薄透镜、反射镜等光学系统最重要的特性参量, 因而准确测量薄透镜的焦距则显得尤为重要。实验室测量薄凸透镜焦距的方法有物距像距法、自准直法、光电法、平行光管法等。由于采用前3种方法测量透镜焦距的精度偏低, 针对该问题, 提出利用平行光管法测量薄凸透镜的焦距, 并对实验误差作简单分析。实验结果表明, 该方法可以高精度地测量薄凸透镜焦距, 相对误差仅为0.138%。因此, 采用平行光管法的薄凸透镜焦距测量方法是有效可行的。

应用非球面提高光学系统成像质量是镜头设计的常用手段。基于平面对称光学系统的波像差理论, 通过分析鱼眼镜头各光学面的波像差贡献, 将波像差贡献突出的光学面作为应用非球面的待选对象, 结合波像差随非球面系数的变化趋势, 确定应用非球面的光学面; 应用优化算法和基于光线点列图分布定义的评价函数优化鱼眼镜头系统。通过对一个鱼眼镜头实例进行非球面优化, 其点列图范围从全球面优化设计时的200 μm下降到100 μm, 其评价函数值下降1个数量级, 证明该方法能明显提高镜头的成像质量, 对如何有效应用非球面优化鱼眼镜头的光学系统具有借鉴意义。

由于采用发光二极管(LED)制作显示薄膜, 所以可以改善常规显示屏有缝拼接, 刷新频率低, 应用场合相对窄的缺点, 如果显示薄膜的衬底材料为聚碳酸酯(PI)薄膜, 薄膜后的印刷电路板(PCB)也做成柔性的, 那么显示屏就是柔性LED显示屏了, 可以应用到更多的场合。显示屏的核心设计是显示薄膜的设计, 此设计制作的柔性显示薄膜, 要求像素间距为1 mm, 折弯半径小于10 cm。最后采用lighttools专业软件进行仿真分析, 并进行了一系列具体实验, 测出这种像素间距为1 mm的样品折弯半径为3.1 cm, 可以看出: 实验结果和仿真分析有较大吻合性 , 说明这种设计有充分的可行性。

为了实现掩膜面的均匀照明, 采用非球面技术对浸没式光刻照明系统中会聚镜进行了设计, 并对影响系统远心度的误差源进行了分析。设计的会聚镜数值孔径的一致性偏差在0.2%以内, 像方远心度小于0.2 mrad, 以系统的远心度变化0.1 mrad, 数值孔径一致性变化0.1%, 点列图变化20 μm, 焦距变化0.1 mm为公差基础值, 计算出会聚镜的厚度公差为±0.02 mm～±0.05 mm, 单面倾斜10″～20″。该浸没式光刻照明系统中会聚镜的设计合理, 制定的公差可行, 能够满足硅片面上照明非均匀性小于3%的要求。

针对现有LED太阳模拟器同时解决准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标的难度较高的问题, 基于光电一体化二次光学设计, 提出一种简便、高效且可实现大功率的LED太阳模拟器光学系统设计方法。采用小角度准直透镜和抛物面镜来整合光源, 通过混光棒和微结构进行匀光, 最后利用抛物面镜实现光线的准直输出, 基于同轴准直的设计思想完成LED太阳模拟器的设计。利用光学软件LightTools对LED太阳模拟器光学系统进行模拟仿真与分析优化, 实验结果表明: 在直径为260 mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。

传统的两层棱镜膜对于MiniLED背光的增亮效果不明显, 因此设计了一种微结构薄膜来代替两层棱镜膜。首先, 根据MiniLED背光的配光曲线及尺寸, 对微结构进行分段设计。将与MiniLED芯片等宽区域设定为顶角90°的棱柱结构, 对2个MiniLED芯片之间的区域, 将MiniLED芯片作为扩展光源, 芯片2个端点发出的光束到达微结构底面会形成一个夹角, 将夹角的角平分线处光线准直到轴向方向, 结合Snell定律进行计算, 得到棱柱微结构倾角。然后, 通过LightTools仿真软件对单个微结构及微结构阵列分别进行了建模和仿真, 仿真结果表明: 加微结构薄膜后的轴向视角亮度相比于加两层棱镜膜提升了31.3%。最后, 通过无掩模光刻设备对设计的微结构薄膜进行加工制备, 并对样片进行测试。实测结果表明: 加微结构薄膜后的轴向视角亮度相较于加两层棱镜膜提升了25.7%。实现了针对MiniLED背光模组的亮度增强设计。

针对汽车AR-HUD显示虚像视距更远、虚像视场角更大的需求, 采用自由曲面离轴反射光路结构, 设计了一种焦距为-309 mm, 虚像视距为7.5 m, 虚像视场角为9.8°×5.5°的虚像显示光路。为保证驾驶员观察到的虚像的清晰度, 结合人眼典型分辨角为1′, 源图像显示模块采用分辨率为854×480 pixel的背投式DLP微投影系统。将人眼与虚像显示光路作为整体进行设计, 使用Eyebox(孔径光阑偏移范围)模拟驾驶员眼睛活动范围, 对于不同的孔径光阑位置, 该光学系统的虚像面在奈奎斯特空间频率0.33 lp/mm处, 中心视场MTF值大于0.6, 全视场MTF值大于0.3。此外, 使用蒙特卡罗方法对该系统取不同入瞳位置时进行了初步公差分析, 系统90%的MTF值大于0.49, 表明该系统容差能力较强。

空间光骨干网络是我国空间信息网络的核心。为了对空间光骨干网络中的协议体系、网络架构和关键技术进行可行性验证, 开发了基于OPNET和STK(satellite tool kit, 卫星工具包)联合的空间光骨干网络仿真平台。设计了由4颗GEO卫星组成的天基骨干网、由10颗LEO卫星组成的天基接入网; 开发了由物理层到应用层的光网络协议仿真模型和LEO、GEO、地面站3种节点进程模型, 对光骨干网络进行了仿真测试。仿真结果表明: 空间光骨干网络最大时延为5.48 s, 最小为0.35 s, 网络全局平均时延为1.06 s, 地面站实时吞吐量最大值为0.88 Gb/s, 最小为0.3 Gb/s, 证明该平台可准确模拟空间光骨干网络功能, 满足空间业务高效传输的需求, 为空间光骨干网络性能验证提供仿真平台支持。

针对两点封装, 建立光纤光栅加速度检波器通用模型, 理论推导加速度检波器灵敏度和谐振频率的解析表达式, 深入研究加速度灵敏度和谐振频率的影响因素, 讨论封装光纤刚度系数与检波器结构刚度系数之比对检波器响应特性的影响, 并分析刚度比分别在0~1、0~100范围随着等效质量的增大(0 g~100 g), 加速度灵敏度和谐振频率的制约关系, 及在0 Hz~500 Hz(中低频)和0 Hz~1 200 Hz(中高频)范围内灵敏度的变化规律。此外, 分别以封装光纤长度为10 mm和60 mm举例分析长度对上述二者的影响, 各项仿真中灵敏度均会高达~1 000 pm/G, 并引入品质因数的概念。所提理论研究对FBG加速度检波器的设计和综合性能的评价具有重要的指导意义, 为器件参数优化提供理论依据。

在对微光装备分辨力测试和红外装备MRTD测试系统进行分析的基础上, 提出了微光和红外融合装备的分辨力测试方案, 利用现有的红外MRTD测试系统, 通过改造光源、光源的入射光路和靶板, 建立了微光与红外融合图像的图像分辨力测试系统, 并对该方案进行了分析。分析结果表明, 改造后的测试系统同时实现对红外的反射和对微光的透射, 对红外温差的测量精度接近0.01 K, 对微光照度的测试精度可以达到1 lx, 对融合图像分辨力的测试满足1/62≈0.891的倍数递减要求。

为了研究了C-17运输机的红外辐射特性, 依据红外辐射的基本原理以及运输机的结构、材料等数据, 对飞机机体进行几何建模和网格划分, 通过流场仿真计算得到机体蒙皮的温度分布, 并结合表面的多重遮挡算法计算出不同马赫数、不同视线方向的飞机蒙皮在红外(8 μm~12 μm)波段的总辐射强度。结果表明, 方位角为0°时, 相对于0.5马赫, 1马赫飞行状态时, 红外辐射强度增加32%, 马赫数对红外辐射强度影响非常大, 气动加热为其辐射强度的主要贡献源。从正前方或正后方探测时, 红外辐射强度峰值随天顶角接近对称分布, 从侧方探测时, 红外辐射强度分布较为平均, 因此天顶角对红外辐射强度影响较小。