将纳米流体用于光谱分频(spectral beam splitting, SBS)型PV/T系统可提高系统效率，合适粒径的纳米颗粒(nanoparticles, NPs)能有效过滤光伏电池光谱响应外的太阳辐射。采用时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)模拟了Au、Ag、Cu、Fe₃O₄、ZnO、TiO₂六种NPs的光学特性，以单晶硅太阳能电池的光谱响应为例，研究了粒径为20 nm~200 nm六种NPs的光吸收性能，并将契合度作为评价指标优化粒径。结果表明：NPs的光学性质对其粒径大小非常敏感，通过改变NPs粒径，可在较宽范围内调节散射、吸收和消光峰位置，且其峰值均随粒径增大而增加。金属NPs对太阳辐射的吸收能力优于非金属NPs，6种NPs单位体积最大吸收功率分别为21.88 GW/m³、17.95 GW/m³、20.16 GW/m³、2.54 GW/m³、1.02 GW/m³、0.27 GW/m³。契合度指标分析表明，适用于SBS型PV/T系统的6种NPs的最优粒径分别为20 nm、50 nm、20 nm、170 nm、110 nm、20 nm。

基于几何稳相法求解调制相位，使用傅里叶透镜进行傅里叶变换，在后焦面处聚焦，得到对应的平顶光束，从而将圆形高斯光束整形为方形平顶光束，其中光路参数对整形质量将产生较大影响。实验中发现，方形平顶光束受零级光影响均匀性较差，因此详细分析了零级光产生的原因，提出了有效的解决方法，并对实验结果中出现的零级光通过叠加闪耀光栅直接移除。实验结果表明：移除零级光后方形平顶光束的能量利用率为72.3%，光束均匀性高达97.2%，优于传统整形方法。最后进一步分析了全息图与入射光束偏移量、离焦以及入射光束束腰半径对几何稳相法整形质量的影响，为几何法光束整形的应用提供了便利。

分析传统直射式和斜射式激光位移传感器的特性，结合两者的优势，设计了一种基于自准直原理的紧凑型激光位移传感器。在结构上，利用直线结构取代了大三角的光路布局，形成自准直式光路结构。引入分光比50%的分束镜，与光轴成45°角放置，将会聚透镜和成像透镜合为一枚，并使聚光镜、分束镜和光电探测器共轴，简化了系统结构，减小了仪器体积，同时，推导了符合自准直原理的Scheimpflug条件。利用光学设计软件Zemax对光学系统进行仿真，系统采用单透镜的结构形式，前表面为Forbes非球面，入瞳直径 D=4mm，视场角 2ω=4°，总长 L=20mm，成像质量和系统尺寸均达到最佳。该系统具有测量范围大、分辨力高、结构尺寸小、光能损失小等特点，通过实验与Keyence激光位移传感器比较，该系统能够保证测头分辨力 1μm、综合检测精度 ±2μm的技术指标。

基于密度泛函（DFT）理论，采用CAM-B3LYP方法，以C₃₂分子为多极矩构建骨架，设计了两类替位式共掺杂的富勒烯衍生物C₂₈B₂N₂和C₂₈B₂P₂，共16种同分异构体，并对它们的电子性质、线性极化率α和一阶超极化率β进行研究。结果表明，掺杂后分子的HOMO-LUMO能隙变小，C₂₈B₂P₂的α和β值均大于C₂₈B₂N₂系列。其中偶极分子具有大的β值，八极分子则有较小的β值，筛选出具有优异的二阶非线性光学（NLO）响应特性的结构。含时密度泛函理论（TD-DFT）的结果表明，与C₃₂相比，掺杂后所有结构的吸收光谱的响应范围变宽，最大吸收强度减弱，且最大吸收波长的位置发生红移或蓝移。基于完全态求和（SOS）方法，分别用二能级或三能级公式解释了两类共掺杂结构中β值最大的来源，并且证明了与之有关的电子激发类型为π→π*激发。

为了满足信息化时代对高清鱼眼镜头的应用需求，利用CODE V和Zemax光学软件设计了一款匹配16 mm（1英寸）CCD的大孔径玻塑混合鱼眼镜头。该系统可在光谱为486 nm～656 nm以及850 nm范围内清晰成像，视场角为210°，F数2.0，焦距为4.1 mm，F-Theta畸变小于7%，边缘照度大于68%。常温下，该系统在奈奎斯特频率91 lp/mm处0.707视场MTF大于0.5，全视场MTF大于0.35。?40 ℃～+75 ℃状态下0.707视场MTF大于0.3，全视场MTF大于0.2，满足高低温环境下的使用要求。系统采用7片式玻塑混合的结构形式，具备大视场角、大靶面、大光圈等特征，可广泛应用于高清摄像、安防监控、工业生产等领域。

回音壁微腔具有超高Q值和极小的模式体积，在微波光子系统、非线性光学和量子光学等领域中具有广阔的应用前景。通过分析mm级氟化镁（MgF₂）晶体回音壁微腔的损耗因素，确认了影响回音壁微腔品质因数的主要指标为材料等级和表面粗糙度。设计了mm 级MgF₂晶体回音壁微腔的结构形式，使用DUV级MgF₂晶体，如果回音壁微腔表面粗糙度小于0.7 nm，则MgF₂晶体回音壁微腔的极限损耗理论计算值为4.781×10^?11，对应的极限Q值为2.09×10¹⁰。通过对MgF₂晶体回音壁微腔进行粗成型、精密车削、精密抛光，实现了高品质因数的微腔制造。测试结果表明，回音壁微腔的表面粗糙度Ra值为0.669 nm、微观形貌PV值为6.767 nm、品质因数为2.054×10⁹@1 550 nm。

为了解决多通道投影显示系统中各投影仪投影画面之间颜色不一致的问题，设计了一种基于自由变形技术的多投影颜色校正方法。首先，通过Bernstein基函数建立自由变形技术模型，建立各投影仪原始图像和摄像机拍摄图像之间的颜色转换关系；其次，采集原始图像集和摄像机拍摄的投影显示画面集，确定自由变形技术模型的参数；然后，通过Matlab分析验证投影图像各颜色通道之间是相互影响的；最后，对原始图像进行颜色扭曲，将本文颜色校正方法与传统方法进行直方图相似性评估对比。实验结果表明：对比广义颜色校正方法和基于B样条曲线的颜色校正方法，本文方法将投影画面的颜色强度平均差值在B通道减少了2.50，在G通道减少了2.34，在R通道减少了3.57，直方图的相关性提高了8.9%，巴氏距离降低了9.7%。基于自由变形技术的多投影颜色校正方法使投影画面衔接流畅，给用户带来更好的沉浸感受。

医用硬性内窥镜作为诊治医疗器械，其畸变直接影响医生对手术位置判断的准确性，因此内窥镜相对百分畸变的测量是一个亟需解决的问题。设计了一种基于图像处理的相对百分畸变检测系统，通过CCD相机采集校准靶板图像，对内窥镜视轴和目标靶板的板面进行垂直校准后，更换畸变靶板采集图像，计算机将得到的图像进行滤波、感兴趣区域提取和尺寸统计，最终获得相对百分畸变。以30°腹腔内窥镜为测量模型，实验得到设计的校准系统在待测内窥镜全视场70%位置所测量的相对百分畸变值优于未垂直校准系统2.2%。结果表明，系统的检测结果一致性较高，且准确度高于未垂直校准系统。

反射式高分辨力光学系统是未来机载望远系统的发展方向。当光学系统工作在航空平台，由于受温度变化、振动冲击等因素的影响，光学系统将存在失调误差，需要对其进行空中校正。建立了反射镜失调量与泽尼克（Zernike）系数之间的非线性函数数学模型，采用Bhattacharyya系数方法去除相关性强的失调量，减少空中装调的复杂程度，增加可靠性。经过校正某同轴三反消像散系统，计算结果表明，系统的波像差均方根值（RMS）减小到0.025 λ，与设计值相差小于0.014 λ，满足空中装调需求。

为构建适用于长时跟踪的重检测模块，受改进二阶段检测网络的GlobalTrack方法的启发，提出了一种高效的对特定模板目标进行端到端重检测的深度网络：首先，为了在大尺度图像上更高效地融合模板特征，通过构造交叉信息增强模块改进深度互相关方法，利用交叉通道注意力信息编码搜索特征和模板特征；此外，采用动态实例交互模块替代传统二阶段网络的RPN（region proposal network）和RCNN(region-based convolutional neural networks)结构，根据模板信息指导检测网络的分类和回归阶段，构建了端到端的稀疏重检测结构。在LaSOT和OxUva长时跟踪数据集上进行对比实验，本文方法相较于原始方法性能提升3%，实时帧率提升173%。实验结果表明，改进后的方法可以在全图范围内更准确、快速地重新检测模板目标。

针对红外图像细节模糊、对比度低等问题，提出了一种基于二次引导滤波的红外图像增强算法。首先，将原始红外图像作为引导图像，使用引导滤波提取出红外图像的细节信息；其次，将得到的细节信息再进行一次引导滤波处理提取出噪声更低的细节信息；最后，将原始红外图像和两部分的细节信息进行加权求和，实现红外图像增强。该算法能够提高红外图像对比度，增强红外图像细节信息。实验结果表明：相比于其他增强算法，本文算法增强之后的红外图像平均对比度提高了123%～246%，平均梯度提升了56%～101%，视觉效果获得明显改善，更能突显细节特征。基于可编程逻辑门阵列(field programmable gate array, FPGA)实现该算法时，占用资源低，处理640×512像素分辨率的单帧红外图像所需时间可达10.12 ms，能满足红外探测系统的实时性要求，具有一定的实用价值。

DETR（detection transformer）算法是一个基于Transformer的目标检测算法，具有检测速度快、检测效果好的优势。介绍了一种利用DETR算法及双目视觉原理对道路环境下的人、车、自行车、信号灯等目标进行构建的测量系统。分析了双目测距、相机标定、目标检测以及目标匹配的原理，并以此为基础构建了测量系统。采用目标检测算法检测视野中的目标，利用双目视觉原理对检测到的目标进行测距，同时分析了测量系统中测量误差的来源，并计算其对结果的影响。该算法在KITTI数据集及现实环境中进行测试，测量系统基线为45 cm，对15 m～80 m的指定目标检出率高于90.6%，测距误差小于5.8%，在RTX 2080Ti平台上能够实时运行。

针对目前基于卷积神经网络的桥梁病害检测算法准确度较低的问题，提出一种改进的YOLOX算法来提高检测的精度。通过使用主干网络浅层的特征信息，改进了特征提取加强网络，并且加入了同层的特征信息进行融合；引入改进的坐标注意力机制，将位置信息和通道信息结合来增强网络对桥梁病害的识别；同时对定位损失函数进行了改进。实验结果表明：改进的YOLOX网络结构对于桥梁病害检测的准确度达到92.11%，比原网络提高了4.40%。

隐蔽目标的探测一直都是**上重点研究的领域，随着高光谱成像技术的发展，为这一领域提供了新的解决思路。利用高光谱数据高的谱间分辨率，可在某些波段实现对隐蔽目标和背景的光谱区分，提出了一种基于ACE(alternation conditional expectations)算法高光谱隐蔽目标探测技术，充分利用背景和隐蔽目标在不同波段光谱不同的特点，引入光谱重排技术和一阶微分技术，使得背景光谱出现振荡，从而提取出目标。相较其他算法，该文提出的算法提取精度高、虚警率低，实现了较好的隐蔽目标探测效果。

太赫兹飞行时间（terahertz time-of-flight,THz-TOF）法具有快速、无损、高精度等优点，是厚度检测领域的新型发展方向。然而大气环境中水蒸气对太赫兹波存在较强的吸收，限制了THz-TOF法在大气环境中的应用。分析了THz-TOF法中太赫兹波在大气环境中的传播机理；提出了一种基于吸收模型的水蒸气消除方法；以两种塑料板样品为对象开展了应用研究。通过和干燥环境中测量的结果进行对比，结果表明：该方法能够有效消除水蒸气的干扰，实现大气环境中材料厚度和折射率的准确测量。

垂直扫描白光干涉法（VSWLI）是一种非接触式三维表面轮廓测量方法。蝙蝠翼作为VSWLI当中一种固有的缺陷，尤其在被测样品的台阶高度小于光源的相干长度时，台阶边缘处的蝙蝠翼尤为显著。相移干涉法不存在这种缺陷，但是存在相位模糊的问题。提出一种将Carré等步长相移算法与快速傅里叶变换（FFT）相干峰值检测技术相结合的白光干涉解调算法。该算法基于逐次变分模态分解（SVMD）与Hausdorff 距离（HD）联合去噪。分别以高度为500 nm和1 200 nm的连续台阶器件和高度为10 μm的标准台阶作为测试样品，进行实验测量验证。所提出的算法能够有效地抑制台阶高度跳变处的蝙蝠翼，克服相位模糊问题。

针对单帧复杂背景红外图像点目标检测算法存在复杂背景下处理效果不理想、处理时间长的问题，提出了一种层次卷积滤波检测算法。主要分为两个部分：第一，根据红外小目标特性，设计一种层次卷积滤波的算子，对图像进行滤波处理，实现图像中小目标的增效和背景抑制的效果；第二，采用基于最大值的自适应阈值方法，对图像进行二值化操作，过滤背景杂波，最终提取到待检测的目标。在大量不同背景红外图像中进行实验，论文算法在背景抑制因子和信噪比增益的性能量化结果上优于现有5种典型红外弱小目标检测算法的性能结果，且平均处理时间仅为高斯拉普拉斯（Laplacian of Gaussian，LoG）滤波算法的30.42%。通过实验对比，表明该层次卷积滤波算法可以有效解决在不同复杂背景下的红外图像中对小目标检测的问题。

为满足航空航天大部件对制孔质量的数字化原位检测需求，提出一种基于特征板的制孔多视点云拼接方法，实现孔壁完整三维形貌重建与检测。分析制孔多视检测的需求，提出采用特征定位板辅助的多视点云配准方法。介绍了内角不等四边形特征板的设计与相应的点云分割、识别算法。说明基于特征自定位的多视点云拼接及参数提取方法。结合机械臂搭建实验平台，对常用钛、铝及复合材料的试件模拟原位检测，结果显示各平均误差分别为0.011 mm、0.034 mm、0.041 mm，验证了配准算法的可靠性；并对比传统单视与该方法检测结果，体现该方法的鲁棒性。

传统的大口径光学元件干涉测量方法依赖于根据不同测试样品人为改变扩束镜头和光路结构，该方法会不可避免引入一些系统误差，因此针对双光路干涉仪的功能需要和仿真实验，提出了一套对应的双线控制方案。通过蓝牙通信、串口通信和机械结构的相互配合可以对光路进行多次折转和校准，使得每次切换测量口径后的光学元件变化位置固定，并在基于MFC(microsoft foundation classes)开发的交互界面显示实时状态。结果表明：在450 mm测量口径下，PV₁₀测量重复性可达到0.004 λ，RMS测量重复性可达到0.000 4 λ；在100 mm测量口径下，PV₁₀测量重复性可达到0.000 8 λ，RMS测量重复性可达到0.000 16 λ。实验结果表明该系统保障了优越的测量效率和测量重复性，为双光路干涉仪的研发提供了参考价值。

设计并搭建了一套1 064 nm、532 nm的双波长光学元件激光损伤阈值自动测量装置，用于光学元件膜层激光损伤阈值的自动化检测。装置主要由脉冲激光光源、光束参数诊断组件、损伤在线诊断组件、待测件扫描运动平台和控制系统组成。整个测量装置和测量过程由基于Labview编制的计算机综合测量软件自动控制，可实现损伤阈值在0.1 J/cm²～100 J/cm²能量密度范围内的自动测量，并利用该装置对1 064 nm增透膜和铝反射膜样品进行了测量，得到损伤阈值分别为27.09 J/cm²和3.21 J/cm²，相对不确定度分别为3.91%和5.61%。

核酸现场快速检测具有便捷、操作简单、无需专用实验室、报告快速等优点，能在机场、社区医院、海关、野外等各种复杂环境中进行检测。建立了一种可应用于核酸现场快速检测仪器的荧光检测系统，包括非共聚焦式的正交光路与多通道检测集成结构。前者信噪比高、小型便捷；后者切换效率高，能满足多重检测，其嵌合结构极大降低了通道间的荧光串扰。实验证明，系统的检测下限低于1.6 μg/mL，荧光检测梯度性R²值（确定系数）均大于0.99，重复性测试的CV（coefficient of variance）值不超过1.27%。通道间荧光串扰测试表明，通道间无串扰问题，巨细胞病毒培养液的扩增实验准确性与稳定性较好，表明该系统能够针对多重检测进行有效荧光激发与采集。

针对红外光学系统透射比参数无法准确测量的问题，开展了红外光学系统光谱透射比测量和校准技术研究。通过对积分球法、大面积均匀源法等测量方法进行分析，研究构建了基于回返射法的红外光学系统光谱透射比校准装置，并建立了完整的光谱透射比量值溯源和量传链条。利用该装置实现了2 μm~14 μm波长范围的光谱透射比测量，对测量结果进行不确定度分析，结果为2%。相对于以往的透射比测量装置，该装置的测量结果具有更高的准确性和可靠性。

数字微光器件作为新一代微光夜视装备的核心器件，相比于传统真空微光器件因具有数字化输出的优势而备受各国重视。本文综述了低照度CCD（charge-coupled devices）/CMOS（complementary metal oxide semiconductor）、科学级CMOS、像增强型CCD/CMOS、电子倍增CCD及电子轰击APS（active pixel sensor）/CCD等数字微光器件的研究现状，分析了数字微光器件的应用情况。最后，提出了微光技术和数字微光器件的发展趋势。

视距是评估微光夜视成像系统性能的一个重要参数。随着微光夜视探测技术的发展，经典视距模型的视距仿真结果与实测结果出现了一些偏差，特别是在10^?3 lx低照度条件下视距仿真结果不甚理想，这对微光夜视仪在实际应用中造成了很大的阻碍。针对这一问题，从微光成像系统成像链路的三个环节对经典视距模型进行修正：考虑大气透过率对微光夜视系统视距的影响并对经典视距模型中的大气透过率因子进行修正；基于像增强器噪声因子对视距模型进行修正；考虑人眼视觉传递特性对微光夜视系统视距的影响，在系统的传递函数模型中加入了简化的人眼视觉模型。进而推导出改进的视距模型。结合野外试验数据，验证了改进视距模型的有效性和实用性，这对于微光夜视系统的设计、评估和应用具有一定的指导性意义。

从理论仿真计算方面开展了脉冲激光诱导CCD探测器铝层金属温升变化的液-固相变时间特性研究。通过傅里叶热传导方程计算仿真了纳秒激光诱导CCD探测器铝层金属材料的温升曲线，获得了铝层金属材料液-固相变起始时刻和液-固相变时间长度随激光脉冲峰值功率和激光入射角度的变化规律。理论计算结果表明，随着入射激光脉冲峰值功率增加，激光诱导CCD探测器铝层表面的最高温度逐渐升高，铝层材料的液-固相变起始时刻往后延迟，且液-固相变时间长度增加；随激光入射角度的增大，铝层表面的最高温度逐渐降低，液-固相变起始时刻不断前移，而液-固相变时间长度逐渐变短。研究结果表明，激光脉冲峰值功率密度和激光入射角对激光诱导CCD探测器的液-固相变时间特性有重要影响，对揭示纳秒激光诱导CCD探测器的热损伤机制有重要的理论意义。

三通道355 nm光学鉴频器广泛应用在星载测风激光雷达回波信号鉴频过程中，是实现双边缘风速多普勒鉴频的核心元件，其指标与可靠性决定了系统的探测精度。研制了基于压电换能器(piezo-electric transducer, PZT)调谐的355 nm三通道标准具鉴频模块，模块有效口径35 mm，峰值透过率75%，自由光谱范围12.5 GHz，半高宽1.7 GHz。通过三通道测试系统对自由光谱范围、半高宽、峰值透过率、调谐系数等指标进行了测试。结果表明：当外部驱动电压为75 V时，峰值透过率分别为0.859、0.878和0.735，半高全宽分别为1.843 GHz、1.882 GHz和1.611 GHz，调谐系数为1.96 GHz/V、1.93 GHz/V和1.88 GHz/V。针对光学鉴频模块3个通道PZT调谐系数不一致的情况，分析出对风速误差的影响范围为±0.1 m/s。通过对闭环控制系统进行测试，该系统可实现对355 nm激光发射频率的实时锁定，解决了光学鉴频模块每次工作状态初始位置不一致带来的问题，提高了风速鉴频精度，可实现锁定时间长达30 min以上，满足了星载测风激光雷达的应用需求。另外，仿真研究表明：当三通道光学鉴频模块间隔变化0.08 nm时，引起的风速误差为1 m/s。

对单腔双光梳拍频信号的包络提取方法进行了实验研究。在单个光纤激光器中引入具有强双折射的保偏光纤，使脉冲沿偏振正交的两个方向进行复用传输和锁模。精细调节腔内偏振态，实现了重频差在337 Hz~2.33 kHz范围内连续可调的双光梳生成。通过激光器腔外偏振态调节和偏振分束，获得了消光比分别为28.5 dB和38.2 dB的两路光频梳。两路光频梳经过异步采样后，采用所设计的包络检波电路对拍频信号的包络进行提取，与采用基于样条插值和希尔伯特变换的包络提取算法计算结果相比，所提取的包络峰值位置基本保持一致，验证了该方法的可行性。双光梳拍频信号包络提取实验研究可以快速实时提取包络形状和包络峰值位置，可进一步应用于包络信号触发和精密测距等领域。

主振荡功率放大（main oscillation power amplification, MOPA）结构由于其光束质量良好和参数可调的优点，已成为高功率光纤激光器的主流设计之一。为了改善高功率掺镱光纤激光器（ytterbium-doped fiber laser, YDFL）的输出性能，提高系统的光-光转换效率，文中报道了一台基于915 nm泵浦激光器和双包层掺镱光纤（ytterbium-doped fiber, YDF）的MOPA结构全光纤高功率激光器。该高功率光纤激光器由电调制激光二极管（laser diode, LD）泵浦的种子激光器和掺镱光纤放大器（ytterbium-doped fiber amplifier, YDFA）组成。连续光（continuous wave, CW）工作模式下，激光种子源经过YDFA后，实现了中心波长为1 069.96 nm的激光输出，最大平均输出功率可达945.9 W，MOPA激光器整机的斜率效率高达74.12%，具有良好的稳健性。该研究方案对研制高功率MOPA光纤激光器具有参考意义。