为了提高扫描全息成像系统的分力,理论分析和实验研究了对系统起重要作用的编码孔径—菲涅耳波带板的衍射问题。对波带板的菲涅耳衍射积分方程进行了数值求解,计算时考虑了透镜的位相调制作用。为了使分析问题简化,通过对比有透镜时波带板的衍射强度分布,求解出无透镜时具有相同分布的等效距离,同时引入了菲涅耳虚衍射面的概念。为了定量描述波带板的衍射效应,定义了临界衍射距离。实验结果表明:当波带板环数为10环、半径为0.75 cm,透镜焦距为7 cm时,临界衍射距离约为16 cm。若其它条件不变,增大透镜焦距或增加波带板环数,临界衍射距离均增大。等效距离的引入简化了复杂的含透镜系统的分析,临界衍射距离的提出量化了系统参数对衍射效应的影响。研究结果对扫描全息成像系统的结构设计具有指导意义。

为满足激光测距、环境探测、空间通讯及激光与物质相互作用机理研究等领域应用要求,研制了声光调Q CO₂激光器。针对影响声光调Q CO₂激光器输出的各种因素,利用调Q脉冲激光器速率方程对该激光器输出的主要技术参数进行了理论分析和计算,提出了声光调Q CO₂激光器优化设计的方法,并进行了验证实验。激光器脉冲重复频率为1 Hz～50 kHz,在1 kHz运转时获得的输出激光脉冲宽度为180 ns,峰值功率为4 062 W,与理论计算基本一致。结果证明:通过声光晶体(AO)的优选及谐振腔的合理设计,可实现小型CO₂激光器的高重频、窄脉宽,高峰值功率输出,并可通过光栅选线的设计方式和TTL信号控制实现此类激光器的波长调谐和编码输出。

为实现免散瞳眼底相机在被观测眼底图像较暗情况下的精确调焦,提出了双光楔裂像调焦方法。采用该调焦方法,将一条矩形狭缝视标投影成像到视网膜上,在双光楔的作用下,通过矩形狭缝上下两半部的光线传播方向不同,根据上下两半条矩形狭缝在视网膜上所成像分离的方向和大小决定调焦的方向和调焦量的大小,将视网膜上两半条矩形狭缝像调焦到位于一条直线上。实验结果表明:相对于直接观测眼底细节进行调焦来说,双光楔裂像调焦方法能使调焦精度提高50度(0.5 m-1)以上。这种调焦方法具有精确度高、操作简单等优点。

提出了一种基于多种群遗传算法(MPGA)的折反射全景成像系统非球面元件的设计方法。结合广义科丁顿公式及几何光学原理,推导出非球面两镜系统像散表达式。在此基础上,利用MPGA,以像散作为非球面两镜系统像差评价参数,求解出满足消像散及指定透视投影关系的非球面面形方程。给出MPGA求解非球面面形的实现过程,并用遗传算法最小二乘混合优化算法得到了便于实现光线追迹和像差计算的非球面多项式。研制了一个焦距为-1.2 mm,F数为1.5 ,视场为360°×(35～90°)的折反射全景成像系统,给出了实验图像,获得了较好的成像质量。

为了给远程化控制的光电跟踪系统提供抗恶劣环境的设计工具,设计了一种嵌入式虚拟动态信号分析仪并对该系统采用的系统辨识等算法进行了研究。基于某型号光电跟踪系统平台,结合虚拟仪器概念和嵌入式技术,建立了嵌入式虚拟动态信号分析仪的系统架构,设计了仪器系统架构中各层软件。利用该仪器测试了实际运行中的光电跟踪系统速度回路和电流回路,实验结果表明光电跟踪系统满足设计要求,电流回路带宽为266.05 Hz,速度回路带宽为20.3 Hz,虚拟仪器具有较好的精确度和实用性,满足了光电跟踪系统设计工具准确、方便、快捷等要求,提高了光电跟踪系统设计水平和设计效率。

为提高微流体系统中的流量检测灵敏度,增大动态检测范围,实现温度补偿,提出了一种基于Lamb波的压差式微流量传感系统。该传感系统主要由两个Lamb波压力传感器和微通道组成,它利用Lamb波薄膜内应力的敏感特性,以频率计量的方式间接测量微通道两端的压力差;并采用双Lamb波压力传感器构成差动式测量结构进行温度补偿。对长20 mm,宽1 mm,高50 μm的微通道进行了流量测试实验,结果表明:在流量测试范围内,微通道两端的频率差与流量基本呈线性变化,其线性相关系数为0.999 9;在微流量传感器未进行优化的前提下,最小检测量为0.627 μL/s。

研制了一种光电设备自动调平系统。选用了3条机械支腿支撑大型光电设备载车,由安装在光电设备基座上的倾角传感器测得基准平面的倾角大小及方向,将此角度根据调平算法换算为3个机械支腿的伸长量,驱动机械支腿伸长使基准平面达到水平。给出了支撑腿数量和机械式支腿的选择依据,设计了一种可以在小角度范围内自动矫正受力方向的机械支腿,设计了整个传动系统,并且给出了驱动电路和调平算法。实验测定其调平精度为0.003°,整个光电设备调平时间约为120 s。实验结果表明:与以往的调平系统相比,该系统缩短了光电设备开展工作的准备时间,提高了调平精度。

考虑时间间隔测量对脉冲激光测距系统的意义,提出了一种新的高精度时间间隔测量方法。该方法在现场可编程门阵列(FPGA)中实现了脉冲计数法、多相采样法和延迟链法的结合。采用脉冲计数法对被测时间间隔进行“粗值”测量,保证大的动态测量范围。利用FPGA内部锁相环产生N路同频率,相位均匀分布的时钟信号作为计数时钟,基于等精度测频原理,将被测时间间隔的测时分辨率提高到Tclk/N。利用FlipFlop锁存器形成延时链,对被测信号与相邻计数时钟的时间间隔进一步量化。该方法解决了传统多相采样技术中由于倍频次数高导致相移分辨率降低的问题,在不增加计数时钟和有限延迟链数量的前提下,得到较高测时分辨率。测试结果表明,该时间间隔测量模块的动态测量范围为163.8 μs,测时过程相对较短,当进行多次重复测量时,测量的标准误差在71 ps以内,基本满足实际应用的精度要求。

提高立体测绘相机地面像元分辨率和地面目标的定位精度,相机需设计调焦环节用以补偿CCD靶面的离焦量。本文根据立体测绘相机光学结构的特点以及相机的焦深,设计了一种基于凸轮导向的调焦机构。在设计中采用了可靠性设计和消空回措施,以保证结构的强度和刚度以及调焦精度。对传动误差的分析及精度验证试验表明:该调焦机构的传动误差为±1.71 μm;CCD靶面的直线性精度在X方向为11.2″、Y方向为11.8″;在调焦行程内CCD靶面绕光轴旋转4.7″,满足用户提出的精度要求。

激光条纹中心的提取是线结构光坐标测量系统的关键技术之一,本文对条纹中心的高分辨率精确提取进行了研究。首先,基于阈值法全分辨率提取条纹初值中心;然后,在条纹初值中心域应用灰度梯度与Bazen方法计算条纹法向,最后在法线方向精确获取光条纹能量中心。采用分辨率为768×576的相机,应用V形检测块进行对比实验,结果表明:提取的中心点分辨率为1 086点,比传统方法增加了42.5％,且无冗余点;中心点到由中心点拟合的直线的平均距离最小,分别为0.294与0.306 7 pixel;条纹法向计算精确,计算时间为75.8 ms。该方法避免了被测体表面曲率变化大、提取中心密度小等问题,提取的精度与鲁棒性高,满足在线精确测量要求。

为了评价仪器的软件和整体性能,根据ISO软件测量标准(SoftGauge)5436-2,应用过程仿真、以及实测电加工表面和实测珩磨表面得到的标准数据,研究了采用不同方法获得的表面形貌即粗糙度轮廓的评定基准,分别为高斯滤波基准、最小二乘中线基准和最小二乘曲线基准。给出了不同基准下ISO 4287定义的表面粗糙度轮廓典型参数的评定结果,包括Ra、Rq、Rp、Rv、Rsk、Rku等,分析了几种基准下各参数相对于标准结果的计算偏差。计算结果表明:对于仿真数据,3种方法的计算精度都比较好,仅仅参数Rsk在两个最小二乘基准下偏差较大,达50%左右;对于电加工表面数据,高斯基准下的各个参数偏差最小,其它两种基准下偏差稍大,而相对偏差较大的是Rsk和Rp,其中Rsk分别为3.55%和-7.45%,Rp分别为-3.45%和3.95%;对于含有跳跃点的珩磨表面,3种基准下的评定结果都有较大偏差,其中求均值运算的Ra、Rq的偏差稍小,其它较大,经过剔除处理后,Ra、Rq偏差仍然相对稍小,Rsk和Rp由较大偏差明显减小为稍小偏差,而Rku、Rp偏差没有明显改进,仍约为40%。总之,3种方法对奇异点较敏感,对无奇异点的粗糙度轮廓的常用参数评定结果基本一致。在评定一般精度、表面无明显周期波纹度成分和较大奇异特征时,对于常用表面功能评定参数,如Ra、Rq,选用原理简单、实现方便的最小二乘拟合基准即可满足要求。

建立了悬臂梁单晶压电振子的发电测试系统,针对压电晶体与磷青铜基板材料的厚度比对单晶压电振子输出电压的影响进行了有限元分析,得出了压电晶体与磷青铜基板材料的最佳厚度比并进行了实验验证,同时对具有最佳厚度比的单晶压电振子进行了压电发电能力测试。研究结果表明,当压电晶体与磷青铜金属基板的最佳厚度比为0.5时,单晶压电振子的输出电压最大,有限元分析与实验结果基本吻合。单晶压电振子输出电压随着负载的增大而增大,而输出功率并不随负载的增大而增大。压电振子存在一个最佳负载,当负载与压电振子内阻相匹配时,输出功率最大,能量转化效率最高。单晶压电振子在负载为50 kΩ时,输出电压最大可达5.4 V;当负载电阻为10 kΩ时,负载与压电振子内阻匹配良好,输出功率达到最大为1.18 mW,产生的能量能满足网络传感器等低耗能电子产品的供能需求。

由于自吸性差、对气泡敏感等原因,单腔体压电泵在应用中受到限制,而多腔体结构是提高压电泵性能的有效途径。通过分析腔体容积与压力变化过程得出:双腔体串联压电泵只能采用串联驱动方式而不能采用并联驱动方式,双腔体并联压电泵只能采用并联驱动方式而不能采用串联驱动方式。制作双腔串联、并联压电泵样机并进行测试可以得出:串联压电泵在驱动电压200 V,频率152 Hz时,输出流量达到最大为1 150 ml/min;并联泵在压电驱动电压140 V,频率220 Hz时,输出流量达到最大为640 ml/min;因此多腔泵采用腔体串联结构能提高压电泵的工作效率,提高泵的工作性能。

微切削过程中的切削力严重影响刀具寿命及零件的加工精度,因此,深入研究微切削过程中的切削力变化规律及影响因素是确定合理的加工参数、加工工艺及提高加工系统性能的基础。本文在考虑刀具钝圆半径存在的条件下,采用轴对称原理建立了微切削力理论公式及微切削模型,实验研究了切削用量、刀具材料及工件材料对切削力的影响,验证了理论分析的正确性。研究结果表明:在切深ap为0.002～0.032 mm,进给量f为0.01～0.20 mm/r,切削速度v为20～120 m/min情况下,切削力Fz的变化范围为100～1030 N,Fy的变化范围为40～700 N;减小刀具钝圆半径会减小刀具后刀面与工件的接触长度,并且会减小切削刃以下部分金属的变形,有利于获得高质量的加工表面;控制切削速度对切削力的影响可以通过控制切削层厚度与刀具钝圆半径的比值来实现,控制切削力比值Fz/Fy则可以通过控制走刀量、切深与刀具钝圆半径的比值来实现。

为了研究行波电渗(TWEO)微流体驱动,在封闭的微通道内建立了TWEO微流体驱动模型,并进行了仿真和实验研究。根据TWEO驱动原理,分别建立了封闭通道内TWEO微流体驱动电场及流场的数学模型,并对电场及流场问题进行了求解,流场的仿真结果说明了实验测量通道高度2/3处速度的合理性。最后,分析了实验和仿真结果并确定了容抗比例系数。实验及仿真结果表明:电导率分别为1.5 mS/m、7.7 mS/m、16.9 S/m的KCl溶液的容抗比例系数分别为0.05、0.035、0.025,而且电导率与容抗比例系数呈线性关系。结果为进一步研究TWEO及其应用提供了理论基础及实验方法。

提出了一种基于二次曝光数字全息干涉术的子午线轮胎内部气泡缺陷无损检测方法。该方法利用数字全息记录系统记录下轮胎初始状态和受热膨胀变形状态的数字全息图,在计算机中对这些数字全息图分别再现后,将代表轮胎变形状态的再现波前与其初始状态的再现波前进行干涉,获得携带轮胎变化信息的干涉条纹和相位分布;分析了存在气泡缺陷区域的轮胎和无缺陷轮胎两种情况下的干涉条纹及其相位分布的特点和区别。分析结果表明:在轮胎内部存在缺陷的位置,其二次曝光数字全息干涉条纹具有与质量正常位置处干涉条纹相对独立的特征,该方法可以检测出轮胎气泡缺陷,记录系统的横向分辨率为16.4 μm。

提出用粒子滤波器来实现视频序列的稳像,解决了视频序列的帧间不稳定问题。提出的稳像算法从视频图像中提取角点特征,建立当前帧与参考帧之间的映射关系,然后根据仿射变换模型求取最小二乘解来获得帧间的全局运动参数,最后利用粒子滤波平滑运动参数,实现帧间的实时运动补偿。对包含80帧场景的视频序列进行了实验,稳像后视频序列的平均峰值信噪比比稳像前提高了24.88,同时稳像精度＜1 pixel,处理时间＜30 ms。实验结果表明,本文算法能有效地改善图像质量,在去除高频抖动的同时能较好地保留摄像机的主动运动,稳像效果良好。

直线特征是交通标志图像中稳定而重要的特征,直线特征的正确提取,对于提高交通标志识别率是有意义的。针对已有Hough变换的缺点,如参数空间中的峰值扩散问题、繁重的计算复杂度和空间复杂度等,提出了一种自适应“多对多”Hough映射方式。新算法具有良好的时间计算复杂度、对阈值不敏感且能精确地提取出图像中的直线。实验结果表明,新方法的阈值选择范围是MTO_θ的3倍,而运算时间仅为MTO_ρ方法的10%左右。改进的Hough变换能在可接受的时间内准确地提取交通标志图像中的直线,还可用于其它图像(如票据图像、符号图像)中直线特征的提取。

为了复原由动机座上的相机拍摄运动目标得到的降质图像,提出了基于像素运动模糊特征分割图像的复原方法。根据运动模糊的卷积作用,分析了图像中目标与背景不同的运动特性及像素平移叠加机理,得出了目标背景的叠加区域中相邻像素灰度值的变化程度相似的结论。基于该灰度变化特征检测运动模糊方向上的目标边缘,并利用Canny算子检测平行于模糊方向的边缘,两部分边缘进行求或运算并进行形态学处理,从而分割得到完整的目标模糊图像。剔除该目标图像叠加区的背景灰度信息,并补零扩充为完全卷积的模糊图像,最后利用反卷积复原算法去除模糊。复原实验结果表明,该方法复原得到的目标图像内部纹理清晰,复原图像的信噪比为9.64 dB,即主观和客观评价都表明该方法能够有效处理该类空间移变降质图像的复原问题。

为了实现对自由曲面的三维空间数据的测量与重建,建立了立体视觉自动测量系统,并对该系统的非线性标定及立体图的匹配方法进行了研究。基于灭点理论法进行了系统的非线性标定,采用投射光斑法增加自由曲面的图像特征;提出了一种基于方向和距离约束的分片排列编码方法,对投影光斑进行排列编码。分别在左右图像上根据彩色点的位置关系自动确定一个初始匹配点和4个匹配方向,然后对其余点按照分片排列法进行自动排列编码。对石膏像的面部进行了三维测量和重构实验,实验结果表明:像物尺度比为0.08 mm/pixel时,空间点三维坐标测量的均方差为0.05 mm,可以达到亚像素级测量精度;基于方向和距离约束的分片排列编码法,可以准确地进行投影点的编码,并能够快速、有效地实现彩色图像特征点的全自动匹配。

为了提高光突发交换(OBS)网络的汇聚性能,以OBS边缘节点的汇聚模块为研究对象,提出了一种新型的OBS汇聚模块设计方案。与以往的汇聚模块采用开环控制的方式不同,本文设计的汇聚模块通过引入突发数据包(BDP)长度反馈,将一个基于时间门限的汇聚模块变成了一个闭环控制系统。汇聚模块通过测量网络业务流量,根据控制曲线,为定时器选择合适的汇集时间门限,同时根据BDP长度反馈值修正控制曲线。仿真结果表明:与基于时间门限的汇聚模块相比,本文设计的汇聚模块在控制BDP长度性能上改进了4.95%;汇聚时延降低了15％。因此,该汇聚模块不仅能够使汇聚时间门限随网络流量的变化而动态改变,而且能够有效控制输出BDP长度的分布状况。

弹丸质偏心是弹丸性能的重要设计参数。为了提高其测量精度和效率,设计了基于三点法的高精度弹丸质偏心测量系统,介绍了测量原理、计算公式和测量设备,分析了测量误差产生的因素,提出了一种多测试平台和自动调平以及弹体自动旋转90°的设计思想。给出的试验结果表明,质心测量精度≤0.1 mm,偏心测量精度≤0.01 mm,同时满足弹丸高精度质偏心的测量需求。该系统测量范围广、制造成本低,具有广泛的应用开发前景。

为实现海量大尺度图像的复原与超分辨算法的实时处理,设计了图像复原和超分辨并行处理系统,对该系统的技术方案、工作原理、关键算法、硬件结构和并行技术进行了研究。根据技术方案,介绍了系统的工作原理及解模糊、去噪和超分辨等关键算法。对数字信号处理(DSP)和机群两种体系结构进行了分析和比较,结果表明机群更适合于大规模并行处理,给出其设备选型的原则。提出了基于PPF结构的并行算法模型和基于MPI＋OpenMP混合结构的多层次并行与优化技术。最后,对算法在DSP和计算机系统上的处理效果和处理速度进行了实验和分析,给出了系统规模和性能的预测,确定了关键参数即处理器数目的选择依据。实验结果表明,该系统可将处理时间由2 700 s降低到29.39 s,处理后的图像的清晰度、对比度和分辨率显著提高,满足应用需求并具有一定的通用性。

提出一种针对多重模糊图像的恢复算法,以解决航空成像中多重模糊同时作用时的图像恢复问题。对多重模糊的物理模型进行分析,通过分步去模糊对多重模糊图像进行恢复。对空间不变模糊的点扩散函数进行合并,减少多重模糊恢复过程的计算误差累计,通过一次解卷积运算实现多重空间不变模糊图像的恢复。对多重模糊图像在分步恢复过程中所产生的误差噪声进行分析,使用维纳滤波对阶段误差噪声进行抑制,使得恢复图像的峰值信噪比(PSNR)值提高7.76。实验结果表明基于点扩散函数合并的恢复方法能将多重模糊图像的PSNR值提高到28.09,有效地保障了图像的恢复质量。

为了改善降质图像质量,提出一种基于双密度双树复小波变换的局域自适应图像去噪算法。分析了双密度双树复小波变换的原理及特点,推导了双变量收缩函数(BSF)。通过并行使用4个2D双密度离散小波变换,且行和列采用不同的滤波器组,实现了对噪声图像的双密度双树复小波分解。根据小波系数的统计特性以及层内和层间系数的相关性,采用结合局域方差估计的双变量收缩函数对小波系数进行处理,并用收缩后的小波系数重构去噪图像。最后,将该算法用于灰度图像和彩色图像去噪实验。实验结果表明:与噪声图像相比,在噪声方差为30时,经该算法去噪后的图像获得的最高峰值信噪比增益达11.72 dB,平均结构相似度最高增加了2.7倍,复合峰值信噪比增益达11.68 dB。此外,对不同噪声方差下的不同噪声图像,该算法在滤除噪声的同时可保留更多的图像细节,极大地改善了去噪图像的视觉质量。

针对离散小波变换硬件资源占用率高的问题,提出了一种应用于JPEG2000的离散小波变换并行超大规模集成(VLSI)结构。引入了基于时间差的(9,7)小波并行滤波技术,使行和列滤波器同时进行滤波;采用2×2转置模块,实现了几个寄存器代替大量的中间转置存储空间。实验结果表明,该结构在关键路径的约束条件下,有效降低了硬件复杂性,大大提高了硬件资源利用率,使其几乎达到100%。该结构已通过VHDL布局布线后仿真验证,并可作为单独的IP核应用于正在开发的航行数据记录仪(VDR)雷达图像采集卡中。

基于内窥镜的视觉检测技术在现代航空发动机故障诊断中发挥着重要的作用。针对航空发动机篦齿盘均压孔上产生的表面裂纹,采用基于工业视频内窥镜的孔探技术对其进行自动视觉检测。在对均压孔裂纹形成原因和裂纹形态进行分析的基础上,提出一种基于定位-识别模型的盘孔表面裂纹检测方法。该方法采用一种新的模糊快速Hough算法检测均压孔的圆形边界,对盘孔进行定位;然后根据裂纹分布情况确定感兴趣区域,并对该区域内的图像进行二值化和细化;最后采用链码分析实现裂纹识别。在实验中,对比了模糊快速Hough变换、标准Hough变换和随机Hough变换检测盘孔边界的效果,结果表明模糊快速Hough变换可以快速准确地识别出圆形边界,并对盘孔进行定位。采用上述方法对80幅均压孔图像进行裂纹检测试验,结果表明检测的准确率可达91.2%。

为满足大尺寸图像无缝拼接的需要,提出了数字相机镜头非线性畸变的高精度校正方法。分析了现有棋盘格图像特征点检测算法的不足,提出了一种新的基于棋盘格图像结构特征的特征点检测算法。该算法巧妙地利用棋盘格图像的像素点相对于方格交点对称、相对于方格交线反对称这一特点,计算交点附近区域每一像素点的对称度和反对称度,并以此为依据来判定特征点的准确位置。将该算法与多项式变换技术以及双线性插值技术相结合,提出了数字相机图像非线性畸变的精确校正方法。实验结果表明,校正后图像的横向误差均值为0.43个像素,纵向坐标误差均值为0.36个像素。该方法精度高、计算简单,对噪声、透视、畸变等鲁棒性强,便于特征点检测的自动化处理。通过对实际地图图像的校正和拼接处理,证明了该方法的有效性。

为了克服Contourlet融合在远离支撑区间上出现的混叠成分,抑制融合图像在奇异处产生伪吉布斯现象,提出了改进拉普拉斯能量和的尖锐频率局部化Contourlet (SFLCT)域多聚焦图像融合方法。采用SFLCT而不是原始的Contourlet对多聚焦图像进行分解,并将多聚焦图像空域融合方法中评价图像清晰度的指标引入到SFLCT变换域,用拉普拉斯能量来选择变换域系数。然后,逆SFLCT重构得到融合结果。最后,采用循环平移来提高SFLCT的平移不变性,有效抑制融合图像在奇异处产生伪吉布斯现象。实验结果表明:对于多聚焦图像,所提方法比循环平移小波变换法的互信息提高了5.87%,QAB/F提高了2.70%,比循环平移Contourlet方法的互信息提高了1.77%,QAB/F提高了1.29%;视觉效果优于典型的空域分块拉普拉斯能量方法和平移不变小波变换方法。

为实现高稳定性、高精度的波长干涉解调,研究了保偏光纤环镜在波长解调结构中的应用,设计并搭建了一种基于光纤环镜的新型光纤布拉格光栅传感器解调系统。依据传统的矩阵光学原理建立理论模型,分析采用保偏光纤环镜实现干涉解调的基本原理,研究了其结构参数对解调精度的影响并进行数值仿真验证。在理论指导的基础上,搭建光路模块,并基于LabVIEW软件设计了用于消除系统结构参数误差的测定软件与解调系统监控软件,研制电路模块,构成了完整的传感解调系统。经传感检测验证,该系统在20～90 ℃对温度的分辨率为0.03 ℃,准确度可达±0.1 ℃,实验结果与理论分析相吻合,展示了该系统具有良好的稳定性,较高的检测灵敏度和较强的适用性。

进一步研究了采用固着磨料数控加工碳化硅反射镜的工艺,基于平转动加工方式的去除函数理论推导出了多丸片抛光盘的去除函数模型。根据趋近因子、曲线距离等结果对抛光盘运动偏心距及丸片间距等参数进行优化,由优化后的参数指导实验。理论模型与实验结果对比显示,理论最大去除率与实验数据的偏差为0.007 3 μm/min,偏差比例为5.58%;理论去除函数曲线与实验曲线的距离偏差Drms为0.084 9 μm,偏差比例为7.01%。在分析部分,引入填充因子来间接评价去除函数形状。实验结果很好地验证了理论模型的准确性。该模型对固着磨料磨具抛光的工艺过程具有很好的预测性,在加工碳化硅反射镜领域极大地弥补了使用散粒磨料工艺加工所带来的不足,使加工效率得以明显提升。

针对现有线结构光传感系统标定过程中对设备要求高、标定过程繁琐等问题,提出一种基于三点透视模型的快速标定方法。引入一个可自由移动的平面靶标,靶标上只需要共线且相互位置确定的3个特征点,利用共线三点建立三点透视数学模型,根据3个特征点以及光条纹在摄像机像面的成像信息,获取了光平面上标定点在摄像机坐标系下的坐标。平面靶标在视觉范围内任意移动几个位置,得到光平面上多个标定点坐标,从而确定光平面方程。实验证明,该方法平均相对测量误差约为0.72%,标定时不需要昂贵的辅助调整设备,也不需要求解坐标系之间的转换矩阵,简单、快速,适合现场标定。

介绍了一个测试延迟膜在不同波长下延迟量的方法。在测量晶体相位延迟量1/4 λ波片法的基础上,用分光光度计代替其中的光源、滤色片以及光电探测器,并且对样品进行了测试,利用所得数据,对样品的延迟量进行光谱分析。结果表明:延迟膜的色散效应相对较小,且由同种材料制作的具有不同延迟量的延迟膜其色散曲线极为相似。本实验得到的蓝光延迟量=(1-3.5%)绿光延迟量;红光延迟量=(1+2.6%)绿光延迟量,这为分析延迟膜的色散效应对彩色液晶显示所带来的影响提供了依据。由于此系统可忽略光强的波动及与光强有关的误差,且1/4 λ波片对多波长测试误差的影响很小,故其有很高的精度和可靠性,可以测试其精度范围内的任意小延迟量,亦可对其他光学相位延迟器件进行光谱分析。

为了满足空间用大口径、复杂轻量化结构RB-SiC基底反射镜对高性能表面质量的需求,针对RB-SiC基底的特性,提出了改进表面改性工艺的方法。采用高能量考夫曼离子源辅助,预先对基底进行碳化和加镀C缓冲层,并制备Si改性涂层的方法对RB-SiC基底进行了表面改性。测试结果表明:与单纯霍尔离子源辅助方法相比,该工艺方法制备的Si改性涂层生长得更加致密、均匀,抛光特性良好;改性抛光后表面粗糙度(rms)降低到0.635 nm,达到了S-SiC基底的水平;改性后RB-SiC基底的反射率明显提高,达到了抛光良好的微晶玻璃的水平。结果表明,该工艺方法是提高RB-SiC基底表面改性效果的一种合理有效的方法。

为了实现新波长、高效率的激光输出,建立了外腔型拉曼实验装置并对YVO4晶体进行了测量。采用提拉法生长了最大尺寸为28 mm×40 mm,质量为126 g的高光学质量YVO4晶体,以脉冲宽度为40 ps的Nd:YAG锁模激光器作为激发源,研究了YVO4晶体的外腔拉曼输出特性。结果显示,该激光器多波长输出的总转换效率达到51.4%,最大输出能量为2.21 mJ;1 175 nm一级斯托克斯拉曼输出的最高转换效率为32%,最大输出能量为0.57 mJ;1 313 nm二级斯托克斯拉曼输出的最高转换效率为12.3%,最大输出能量为0.36 mJ。结果表明,采用外腔型结构可使YVO4晶体的拉曼输出性能显著提高。

为了简化生化分析过程,提高测量精度,提出了统一积分时间数据测量法。根据光电二极管阵列(PDA)驱动程序和光电转换原理,推导出光强与积分时间档的关系式;然后,在实验的基础上按照PDA性能参数确定线性工作区间,再将各个积分时间暗电流数据记录下来,在数据采集过程中将相应的积分时间档下的暗电流数据扣除,以保证暗电流给分析仪器造成的误差最小。实验结果表明,采用该方法使工作效率提高了1~3倍,检测精度提高了25%。在以光纤光谱仪为主体的微型生化分析仪样品检测中的应用表明,采用该方法简化了实验步骤,在测试样品浓度发生很大变化时,也可以使仪器有较高的测试精度。

为了实现强电磁场环境下的三维地震高精度勘探,提高油气产量和油气开采率,设计了三分量光弹波导加速度传感器。利用光弹原理设计出可检测加速度的3个轴向分量的集成光路及组合式三分量谐振子,达到了降低加速度各分量串扰的目的。依据LiNbO3光波导相位变化规律对影响该串扰的交叉轴灵敏度和横向灵敏度比进行了分析,结果表明:该传感器的自然频率为3 500 Hz,响应频带为0~3 000 Hz,横向灵敏度比为0.11%。所设计的传感器具有较宽的频带和良好的线性频率响应特性,能够满足高精度地震勘探的要求。

给出了适用性强、工艺上易于实现的单闪耀面宽波段金属光栅的设计方法。基于Rayleigh异常和共振异常两种不同的光栅异常机理,分别讨论了它们出现的条件;在光栅电磁场理论的基础上,数值分析了TE波、TM波闪耀波长的分布规律,得到了闪耀波长与光栅异常和光栅光谱范围的关系;提出了用TM波第一闪耀波长补偿Rayleigh异常或共振异常,实现制作宽波段金属光栅的设计思想。同时,指出了TM波第一闪耀波长对Rayleigh异常补偿效应,只是它对共振异常补偿效应的极限情况。给出了将补偿效应应用于紫外可见分光光度计和红外分光光度计中不同刻线密度宽波段金属光栅的设计实例。实验表明,使用补偿效应法无论在理论设计上还是在工艺实现上都要优于传统的宽波段金属光栅设计方法,可使得用于各个波段的宽波段金属光栅衍射效率都在40%以上。