以120W大功率LED路灯太阳能电池板为研究对象, 通过聚光光伏技术, 利用光学透镜(聚光器)提高太阳能电池的光电转换效率。利用聚焦作用增大光照密度, 有效地降低了太阳能光照面积, 极大地减少了光电材料的使用量, 大幅度降低了太阳能电池的成本。通过光学仿真软件TracePro进行仿真, 验证了其可行性。

利用计算流体力学(CFD)软件Fluent模拟了梳状肋片散热器的大功率LED灯的温度场分布。从散热器肋片高度、肋片间距以及灯具的照射角度三方面分析了散热器的散热效果。通过对比分析不同散热器的速度流场与温度场分布, 得知当肋片高度为10mm、间距为4.1mm时散热器散热效果最佳。灯具的照射角度也会影响到散热器的散热性能, 当照射角为90°时散热器性能最佳。

自由曲面棱镜是轻型头盔显示系统的核心光学器件, 其巧妙的设计以及精密的加工方法历来备受研究者的关注。目前有关自由曲面棱镜的研究主要集中于视场角和成像质量上, 而忽略了公差设计, 尤其是加工误差对棱镜的影响。针对这一现象, 在详细分析了自由曲面棱镜的加工误差来源之后, 提出了基于公差约束的自由曲面棱镜优化设计方法, 以保证在加工精度允许的前提下得到最佳的成像质量。通过光学仿真实验及成像质量分析, 验证了该方法的有效性。

光谱共焦位移测量系统具有精度高、质量轻、体积小和灵敏高等优点, 可以实现在各种极端情况下的微位移测量。在光谱共焦测量系统中色散透镜组的色散特性决定了整个测量系统的性能。对色散透镜组的测量需求进行了分析, 提出了详细的设计指标, 基于折射、衍射两种方法对透镜组进行了设计和优化, 给出了设计结果。色散透镜组的色散范围为2.2mm, 光谱范围为500~700nm, 线性度较好。利用分辨率为0.5nm的光谱仪接收光谱信息, 理论上精度优于2μm。

针对后向动态光散射颗粒测量系统信噪比较低的问题, 从光学系统的像差入手, 采用Zemax对其进行了仿真和分析, 并提出了校正方案。首先介绍了后向动态光散射颗粒测量系统的基本原理和光学系统, 从校正像差的角度出发, 采用Zemax对后向动态光散射系统进行仿真, 并对其像差进行分析。然后根据仿真结果, 提出了校正方案, 采用Zemax设计了方案中的参数, 得出了理论上的校正结果。最后采用优化好的结果进行后向动态光实验, 得到了实验数据。均值误差和重复性误差分别达到了1.52%和1.24%。满足国标均值误差和重复性误差小于2%的要求。

飞秒光学频率梳的出现对时间频率技术和光谱学技术产生了深远重大的影响, 由此衍生的飞秒光学频率梳绝对测距技术以其快速、大尺寸、高精度等优点已成为国际研究热点, 并有望直接应用于大装备制造、激光雷达和卫星编队飞行等大尺寸精密测距。在简要阐述飞秒光学频率梳的原理特性及主要应用的基础上, 围绕光梳测距的发展历程及前沿方向, 着重介绍了飞秒光梳精密测距近两年来的最新研究进展, 并对该技术进行了总结和展望。

简要介绍了常见的船体横扭角测量方法, 与传统的船体横扭角测量方法相比, 光栅技术具有精度高、体积小、测量通道多等优势。建立了从应变量到横扭角的转换模型, 设计并完成了与测量船现有变形测量系统的对比测量试验。试验结果表明:在较短测量时段内光栅测量数据与现有船载变形测量系统的测量数据吻合度高, 误差在5″范围内, 满足船体变形测量的要求; 在长时间测量过程中, 外界振动干扰对测量结果影响显著。

开发了一种基于光电探测技术的风洞模型姿态角光学测量技术, 实现了对姿态角的精确、实时、非接触测量。对激光探测头、模拟试验平台进行了优化设计, 编写了功能齐全的实验软件, 模拟了风洞试验运行实况, 深入开展了一维和二维角度测量实验和分辨率测试实验。实验结果表明, 该技术可对模型变化角度进行实时精确测量, 测量范围达到了-10°～10°, 测量精密度为0.0023°, 测量准确度为0.0026°, 分辨率可达到0.001°。该光学测量技术在风洞模型的角度测量和振动测量实验中切实可行, 为测量风洞试验模型的姿态及振动提供了一种简洁有效的测量方法。

利用CCD(Charge Coupled Device)相机获取图像后常常存在区域过暗和过曝光的情况,而这两种情况都会掩盖该区域的细节信息。改变CCD相机的积分时间只能对获取的当前帧图像进行单一的积分时间增加或减小,不能同时处理一帧图像中光强过强和过弱的情况。因此针对DMD(Digital Micromirror Device)对每一个微镜片的翻转时间可控的特点, 提出了一种区域积分时间可控成像系统, 该系统可以通过控制DMD微镜片翻转时间来增加或者减少图像指定区域的积分时间。实验结果表明, 该系统可有效地达到同时处理一帧图像中区域过暗和过曝光的目的。

SDRAM作为高速大容量存储器应用于视频采集系统十分方便。首先简介了SDRAM存储器的控制原理, 然后介绍了EMBCCD(电子倍增背照明CCD)成像系统中图像数据的缓存和VGA显示。利用FPGA成功地实现了SDRAM控制器的设计。该控制器能够控制两片SDRAM乒乓操作, 实现了EMBCCD图像信号的缓存。所获得的视频图像稳定、清晰、流畅。

EMBCCD(Electron Multiplying Back Illuminated CCD)在较稳定的低温环境中工作时可以有效地提高其图像信噪比。针对这个问题设计了相应的PID控制算法, 包括PID参数的计算和处理策略、PID算法的实现过程和对EMBCCD进行精确制冷控制的调试方法。实验结果表明, PID算法可以将温度控制在-10.5℃, 精度为±0.5℃, 达到了控制目的。

报道了一台激光二极管侧面泵浦Nd∶YAG双向加压式电光调Q全固态纳秒激光器。采用结构简单的平-平腔设计, 当重复频率为500 Hz时, 得到了脉宽为5~20ns的可调输出, 当脉冲宽度为6ns时, 获得了平均输出功率为2.31W、中心波长为1064 nm的基模光, 光束发散角为2.1 mrad, M2≤1.2, 单脉冲能量稳定性高于1.16%(均方根)。采用两种不同的双通放大方式对调Q光进行放大, 分别获得了功率为18.7 W和24.4 W的脉冲输出, 单脉冲能量抖动低于2.16%和1.87%。

为了研究用畸变透镜孔产生的不同束型的精细激光束, 先由基尔霍夫衍射公式得到高斯光束微圆孔衍射积分式, 然后再经适当推理得到高斯光束通过畸变透镜孔的菲涅耳衍射的计算式, 进而探讨了畸变透镜孔菲涅耳衍射对高斯光束进行束型转变的原理。用Matlab软件进行计算机模拟实验, 表明了这种方法和技术是可行的。这种激光束整形技术可产生用于微细加工的不同束型的精细激光束。

实验研究了基于KNO3稀释AgNO3混合熔盐离子交换法制备的镀有BK7玻璃保护层的N31型掺钕磷酸玻璃平面波导。采用棱镜耦合技术测试了其波导的有效折射率, 应用IWBK方法拟合了其折射率分布。实验结果表明: 在一定的扩散时间(5~7h)和交换温度(360~380℃)范围内, KNO3与AgNO3混合熔盐比对波导制备的影响起主导作用, 引起的表面折射率的变化可达到0.025; BK7玻璃保护层对热离子交换掺钕磷酸盐玻璃表面起到了很好的保护作用, 获得了良好的导模传输特性, 其光传输损耗约为0.9dB/cm。

针对目前谐振式集成光学陀螺(IORG)输出检测精度与其理论极限灵敏度存在两个数量级差别的情况, 分析了IORG系统中存在的主要噪声源; 搭建了基于单光路锁频和单光路输出的IORG噪声分离系统; 分别对无光情况下信号检测系统中各部分的噪声以及陀螺静态频率锁定情况下各部分的噪声影响进行了测试与分析; 得到了系统的噪声分布情况。实验结果表明: 光路噪声以及包括探测器热噪声和散粒噪声的电路固有噪声为系统的主要噪声源。

凹面光栅因同时具有聚焦和色散功能而广泛应用于各类紫外、可见和红外波段的光谱分析仪器中, 尤其是平场凹面光栅可以结合线阵或面阵探测器来实现即时分析。凹面光栅衍射效率的高低直接影响光谱仪器的信噪比和信号采集, 其相关研究也逐渐为人们所关注。介绍了凹面光栅衍射效率的研究进展, 比较了由机械刻划法和全息法制作的凹面光栅在掠入射下衍射效率的差别, 分析了现有计算衍射效率方法的优缺点, 并且对凹面光栅衍射效率的研究趋势做了简要预测, 提出了需要同时在凹面光栅的主截面和非主截面内考虑光束对其衍射效率的影响。

建立了矩形激光晶体的热传导模型。通过充分考虑晶体侧面与冷却液之间的对流传热, 以及晶体端面与外界的热传导, 建立了更为合理的边界条件。利用有限元差分法求解泊松方程, 得到激光晶体内温度和温度场分布。研究结果表明, 在考虑晶体的侧面对流和端面导热的情况下, 得出了更符合实际的晶体温度场分布, 计算的热焦距与实验测量结果更为吻合。

针对图像内的细窄线宽, 提出了一种基于Zernike正交矩的亚像素图像线宽检测算法。该算法具有明确的几何模型, 通过计算图像的2阶和4阶Zernike正交矩, 推导出了亚像素线宽表达式。根据数字图像的离散性, 给出了计算正交矩所需的模板系数, 并分析了由离散性造成的原理误差。将所提出的亚像素线宽检测技术应用于安瓿内异物粒径的标定实验, 结果表明: 该算法可有效地测量弱小目标在图像中的亚像素线宽值, 从而得到了异物粒径大小与亚像素线宽之间的标定曲线。

加权相位解缠算法的解缠精度取决于所提取的质量图的可靠性。目前提取相位质量图的方法大多采用以各个像素为中心的固定窗口法, 但当某些像素被噪声严重干扰时, 采用固定窗口法提取质量图往往得不到正确的解缠结果。因此, 提出了几种自适应加权窗口方法来提取相位质量图, 并给出了具体的实现方法和步骤, 同时采用加权小波变换相位解缠算法进行相位解缠。实验结果表明, 采用自适应加权窗口方法提取相位质量图来确定初始权重系数能获得比较好的解缠效果。

在基于结构光照明的三维面形测量中, 针对有孤立区域物体的条纹图像存在不规则缺陷的问题, 提出先对其进行Gerchberg迭代, 消除或减少条纹缺陷, 获取较完善的迭代条纹, 然后再利用傅里叶变换轮廓术(FTP)重建面形。设计了迭代流程, 并分析了影响迭代精度的因素, 解决了光学加工用具磨盘表面不完善条纹Gerchberg迭代过程中存在的问题, 成功地重建了磨盘的三维面形。该工作为表面存在孤立区域的被测物体三维面形测量提供了可供参考的技术方案, 也给可实时形变的应力盘三维面形动态测量奠定了基础。

针对复杂背景下单帧红外图像中的弱小目标检测问题, 提出了一种级联的改进Asymmetric AdaBoost算法。该算法通过提取红外小目标梯度对比度、邻域灰度分布等多个有效特征, 充分利用多个红外特征的互补作用, 对Asymmetric AdaBoost在仿真中出现的问题进行了相应的改进。通过对实测数据进行仿真,结果表明该方法达到了高检测概率和低虚警率, 能有效地检测红外弱小目标。

唐卡图像在其保存和搬运过程中较易出现细微的划痕, 针对所出现的垂直(水平)划痕进行了自动检测算法研究。垂直(水平)划痕实质上属于特殊的边缘, 首先利用该特性采用小波模极大值描述图像中目标的多尺度边界; 然后再通过投影变换放大划痕中心的亮度极值特性, 并基于多尺度突变点检测找到划痕的位置; 最终采用标注联通分量、设置高度和宽度约束得到划痕的掩膜。实验结果表明, 利用该方法取得了较好的检测效果。

为了实时提取图像中任意尺寸窗口区域的不变矩, 提出了一种快速计算方法。该算法通过构造一组积分图像, 避免了在直接计算中出现的大量重复运算, 使得图像中任一子窗口区域的不变矩都可以通过组合几个查找表运算得到。由于查找表运算的加法和乘法次数是恒定的, 从而使得不同尺寸窗口区域的不变矩的计算均能在相同时间内完成。实验结果表明, 该方法不会引起计算精度的损失, 极大地降低了计算复杂度。对于从300×300pixels图像中提取的所有81×81pixels的窗口区域的不变矩这一任务而言, 快速算法仅需31ms, 比直接计算的速度提高了324倍。