矢量光束独特的空间偏振结构使之应用于空间偏振编码成为可能。提出了一种用一阶矢量光束的偏振分布进行极角空间编码的方法。通过矢量光束生成、光束偏振分布再调制实现了空间编码光束的生成, 并采用斯托克斯参数法对空间编码光束进行检测。实验结果证实了一阶矢量光束应用于极角空间偏振编码的可行性, 为基于空间偏振编码的激光驾束制导提供了新方法。

在激光电光调制补偿测量光相位延迟量过程中, 加入交流调制电压形成倍频接收信号, 获得消光的精确定位, 能提高测量精确度。通过调制信号形状变化与相关参量之依赖关系, 可拓展测量范围, 解决在某些点附近无法测量波片相位的“盲区”问题。根据接收到的调制光信号形状变化趋势与待测波片样品方位、延迟量、旋转方向等条件的联系, 在待测波片快轴选定后, 通过波片旋转影响信号形状变化规律的观测, 可敏锐地甄别在半波点或全波长点附近波片的正负偏差特性, 从而解决了一般偏振干涉补偿测量相位无法解决的测量盲区问题。不改变测量系统结构也不需添加任何器件, 适应于最小延迟偏差≥λ/360的情况。

为了更加准确地测量出汽轮机末级蒸汽湿度, 为锅炉给水量提供依据, 促进汽轮机内部除湿技术的发展, 采用了后向角散射法的思路设计了湿蒸汽参数测量模型, 并对模型所需物理量进行了详细的计算, 为后向散射法测量蒸汽湿度的研究提供参考。通过对模型进行仿真模拟以及实验研究, 得到了后向散射光光强数据。通过对比仿真模拟数据与实验数据, 验证了该模型的可行性与有效性, 对光散射法测量蒸汽湿度的实验分析以及工程实践具有重要意义。

利用功率谱密度(PSD)评价光学表面粗糙度具有传统评价手段(Ra)所不具备的优势。给出了功率谱密度的计算方法, 以及抽样方向与一维PSD曲线的关系。在离子束抛光K9玻璃实验中引入PSD曲线, 以评价抛光光学零件的光学表面粗糙度, 结合PSD曲线与Ra值能够更全面的指导光学加工。

激光差动共焦显微镜具备高空间分辨率特点, 但因其逐点扫描成像方式, 扫描时间长, 易受三维扫描系统不稳定和环境干扰等影响, 产生系统漂移, 影响仪器的空间分辨率。利用楔块机构高稳定特点, 结合刹车机构的自由抱闸特性, 设计了一种新型的轴向升降机构, 由此构建了结构更具稳定特性的电动三维扫描系统。稳定性实验验证在搭建的激光差动共焦显微镜上进行, 经过监测系统在90min内的轴向位置, 轴向漂移小于50nm, 与原三维扫描系统漂移140nm对比, 漂移速度明显减慢, 稳定性有显著提升, 进而明显改善了差动共焦显微成像效果。

全场彩虹技术受限于单点区域测量, 如何拓展其到多点测量甚至一维测量, 对于其实用性具有重要的意义。对提出的全场彩虹系统一维化原理进行了分析, 设计并搭建了一维全场彩虹测量系统。分析了系统参数的选择对彩虹图像的影响, 并改进了标定方法。用该系统对乙醇喷雾在一维线区域的蒸发物理过程进行了定量研究, 得到的结果与PDA测量结果进行了对比, 符合实际物理现象。

抛光垫是化学机械抛光的重要组成部分, 其磨损的非均匀性对被加工工件面型精度和抛光垫修整有重要影响。基于直线摆动式抛光方式, 研究了抛光过程中抛光垫与工件的相对运动, 建立了抛光垫磨损模型, 分析了抛光工艺参数对抛光垫磨损及均匀性的影响。研究结果表明, 工件与抛光垫的转速比为1.11, 正弦偏心直线摆动形式, 摆动幅度系数为2, 摆动频率系数在0.1~0.2之间, 抛光垫表面磨损更均匀, 并根据抛光垫表面磨损特性优化了抛光垫形状。优化的抛光垫具有更好的面型保持性, 延长了修整间隔, 为抛光工艺设计提供理论指导。

针对非圆域波面拟合中Zernike多项式失去正交特性、拟合系数交叉耦合的问题, 提出非圆域Zernike正交基底函数构造方法。以圆Zernike为基底, 采用Gram-Schimdt正交组构造方法, 线性表出单位正交基底。通过构造不同遮光比环形光阑下的正交基底与环Zernike多项式进行比较, 验证了此方法的正确性。然后采用圆Zernike多项式和构造的新基底对矩形光阑下的波面进行了拟合, 从拟合残余误差、各项基底系数的稳定性、传递矩阵的条件数等分析, 结果表明针对特定的非圆域构造的新基底可靠性和抗扰动能力优于圆Zernike多项式。此方法不需要具体求出基底的解析表达式, 不同非圆域仅是正交化系数矩阵发生改变, 为非圆域正交基底构造提供了一种新途径。

传统的自动对焦梯度函数评价算法在对细胞显微图像进行对焦时, 由于对焦精度不佳, 图像受噪声的影响较大。针对此问题, 通过对不同对焦评价函数性能进行对比, 提出了一种基于Sobel梯度函数改进的自动对焦评价算法--Sobel4direction_Brenner梯度函数算法。对对焦评价技术设计指标和算法的通用性进行了验证, 结果表明: 在调焦时该算法较传统对焦梯度函数能更好的抑制噪声, 并且使电机在爬山算法的搜索对焦中具有更小的对焦搜索区间范围, 获得的细胞显微图像的清晰度评价值也更高。

在基于激光自混合干涉的理论上, 提出了一种利用二次反馈激光自混合干涉的新型测距方法。利用三角波电流对半导体激光器进行调制, 得到一次反馈自混合干涉信号。通过对信号分析可知, 当半导体激光器被调制后, 会产生一系列的模跳, 模跳的数量与绝对距离成正比。通过计算在一个三角波电流调制周期内模跳的数量, 就可以求出绝对距离。利用多重激光自混合的概念, 提出该种新型测距方法。建立了距离测量系统, 进行了实验验证。实验结果表明: 由于步长分辨率精度的提高, 测距精度明显提高。

针对高通量菌落挑选仪研发的照明设计, 采用暗视场照明方式, 在保证照度均匀的同时大幅提升了所采集菌落图像的对比度, 以提高仪器整体性能。分析了影响照度均匀度的三个重要因素, LED环形光源中灯珠的投射角度、LED环形光源的阵列层数以及LED环形光源距目标面距离。模拟结果表明, 当灯珠投射角度为75°、LED环形光源阵列为三层以及LED环形光源距目标面距离为61cm时, 照度均匀度最优为93.16%。采用所设计的暗视场照明方式搭建实验系统, 实验结果达到项目要求, 并与软件模拟结果相匹配。

随着条纹管器件技术的发展, 条纹管作为瞬态光学器件的应用不再局限于高速摄影和光谱学研究领域。建立以单狭缝条纹管为核心器件的扫描相机激光成像系统, 对目标进行推扫成像, 获得原始条纹图像, 并进行特征数据提取和三维重建。理论计算出的两目标的距离差与实际距离差较接近, 从而验证采用该系统作激光雷达成像的可行性。实验结果表明, 基于扫描相机激光雷达具有高分辨率, 具有较好的应用前景。

实现光纤Bragg光栅倾角传感器的静态的测试和性能分析。设计了一种量程为5°的倾角传感器标定装置, 对其进行校准实验。通过对光纤光栅解调仪的中心波长差和标定装置产生的倾角值进行最小二乘法拟合, 求出静态标定系数, 并对倾角传感器标定装置的不同不确定度分量进行分析以求出合成不确定度。实验结果表明, 光纤传感器的灵敏度为0.17343nm/(°), 线性度为99.993%, 重复性误差为0.0552%, 标定装置的合成不确定度为8.606×10-2°。

利用矩阵分析法, 针对两个相同光栅构成的光纤布拉格光栅法布里-珀罗(F-P)腔滤波器进行理论分析。数值模拟分析了光栅长度变化对光栅以及F-P腔滤波器反射特性的影响, 指出光栅长度增加对反射特性影响的优缺点, 分析利用常用切趾函数对光栅进行切趾, 减小由于光栅长度增加导致反射谱的的旁瓣增大, 对组成的F-P腔滤波器的反射特性的优化, 得到了光栅切趾对F-P腔滤波器的反射特性的影响规律。对于在实际应用中制作出性能优良的光纤布拉格光栅F-P腔滤波器有一定的参考价值。

针对加密算法对明文敏感性较低的问题, 提出了一种基于混沌系统的新型图像加密算法。采用SHA256函数对明文图像进行计算得到初值, 将初值代入混沌系统生成伪随机序列, 进一步使用该序列完成对明文图像的置乱。使用并行扩散机制对置乱图像进行第一轮扩散, 在此基础上利用DNA动态编码技术进行第二轮扩散。对DNA矩阵解码得到二进制矩阵, 进一步转化为十进制矩阵, 得到加密图像。进行了计算机仿真分析和对比, 通过对统计特性、差分特性、信息熵、密钥和鲁棒性的分析与测试, 表明该算法安全性较好且易于实现, 具有较大的应用前景。

基于闪烁光度法, 设计并搭建了一种新的测量人眼视见函数的实验系统, 得到了人眼视见函数曲线。利用人眼对间断光的响应特性, 有效地避开了白光和单色光的颜色差异对亮度的干扰, 通过对比两束光视亮度的方式, 使系统达到光度平衡, 进而度量辐亮度得到人眼视见函数曲线, 并与CIE推荐的标准视见函数进行差异比较, 分析了差异原因和改进方法, 从而深入了解光电探测器的光响应与人眼的差异, 为今后的新型光电探测器的研究与应用打下基础。结果表明, 实验系统可用于测量人眼视见函数, 与CIE推荐的标准视见函数曲线吻合程度较高。

针对传统人工目测法以及光阻检测法在葡萄糖注射液中不溶性微粒识别判断效率较低现象, 提出了一种背景差预处理与改进的Mean Shift算法相结合的微粒识别算法。利用高分辨率数码相机采集在一定照度下葡萄糖注射液中不溶性微粒产生散射光的序列数字图像。对序列数字图像进行预处理及并标定数字图像有效检测区域。建立序列数字图像背景模型并对背景噪声与随机噪声进行抑制处理。采用改进的Mean Shift算法对葡萄糖注射液中不溶性微粒进行目标跟踪。通过对序列数字图像中被检测对象的分割与特征提取, 实现了葡萄糖注射液中粒径在25μm以上不溶性微粒的识别。

为了扩展双图像光学加密算法的密钥空间, 克服双随机相位加密系统中随机相位掩模作为密钥难于存储、传输和重构的问题, 突破传统图像加密的研究思路, 提出了一种基于多混沌系统的双图像加密算法, 构造了光学加密系统。系统增加混沌系统参数作为密钥, 利用混沌加密密钥空间大和图像置乱隐藏性好的特点, 构建基于Logistic混沌映射的图像置乱算法, 利用Kent混沌映射生成的伪随机序列构造出一对随机相位掩模, 分别放置在分数傅里叶变换光学装置的两端, 图像经加密系统变换后得到密文。数值仿真结果表明,算法的密钥敏感性极高, 能够有效地对抗统计攻击, 具有较高的安全性。

微光像增强器是微光夜视技术的核心器件, 决定了整机的视距、清晰度、使用寿命等关键性能。详细分析了光纤面板、倒像器、纤维光锥、微通道板等微光像增强器核心材料的原理、特性及发展趋势, 展望了微光夜视技术的发展方向。