二次支撑曲面设计方法是一种将多个二次子面拼接形成一个鳞甲光学面来获得目标面上离散光分布的自由曲面光学设计方法, 而如何高精度求解子曲面上的光通量是一个难题。现有的解决方案是光线仿真统计, 存在效率低和精度低的缺陷。提出一套解析与数值方法相结合的求解思路, 先解析求出相邻二次曲面的交线, 再利用二分法确定交线作为子面边界的两个端点以确定边界区间, 重复以上过程确定出所有边界, 进而求得子面相对于光源的角空间, 最终通过数值积分确定子面光通量。与现有统计方法相比, 所提方法将子面光通量的计算精度由10-4提高到10-7, 时间节省了近7倍。光学仿真和实验均验证了这种方法的有效性, 对实现任意光分布的自由曲面配光设计具有实际的应用价值。

针对分布式光纤拉曼测温系统传统的温度解调算法进行了优化, 提出了补偿光纤色散以及光纤损耗两种算法。通过重合处理补偿因反斯托克斯光与斯托克斯光信号的衰减速度不同而造成的温度解调误差; 通过色散补偿算法对斯托克斯散射信号的位置进行修正, 弥补因两束光的传播速度不同造成的测量误差, 提高了系统的测温精度和定位精度。

对熔石英材料的光学特性进行研究, 利用分光光度计得到了不同波长下元件的光透过率、吸收率及其变化规律。通过熔石英材料纳米压痕实验, 研究了熔石英材料的机械特性, 得到了熔石英晶体的弹性模量和材料硬度。研究了熔石英材料的断裂特性, 分析熔石英光学元件超精密加工亚表层损伤形成机理, 对亚表层损伤裂纹的结构、组成以及裂纹扩散的形成过程进行了分析和研究。利用纳米压痕实验, 模拟研磨加工时, 材料表面受单颗粒磨粒静态压印和动态冲击时形貌演变的过程, 得到了维氏硬度、断裂韧性及临界压力载荷。

为了从海量激光聚变靶丸中高效检测出符合激光核聚变试验要求的靶丸, 提出一种针对靶丸流水式测量的快速筛选技术。所提技术利用机械臂控制显微镜逐一对待测靶丸放大并通过CCD成像, 利用空间矩亚像素细分算法计算出靶丸的亚像素级轮廓信息, 进行圆度评定, 并根据圆度大小对靶丸进行筛选。通过机械臂和靶丸放置盘之间的三维运动配合, 可遍历测量所有待测靶丸。经过理论及实验证明该方法空间分辨力优于0.51μm, 可快速、精确地对海量靶丸进行初步筛选。

针对飞机舱内的特殊位置需要获得高速动态图像用于监视飞机状态并进行一些参数的定量测量计算的问题。设计安装将光轴进行120°转折、在暗弱舱内对目标进行监视的环光照明装置; 为了适应机载振动和冲击的要求, 对系统进行了抗力学设计, 通过振动实验台进行了验证; 为了与三种不同类型的彩色高速或高清相机配合满足系统最小对角线全视场不小于60°的要求对光学视场也进行了合理设计。

针对3D自动检测PCB板缺陷的实际应用问题, 设计了一款高分辨率、大景深、大视场的双远心数字条纹投影光学系统, 实现了大面积区域均匀投影。分析了基于0.65 WQXGA DMD的双远心数字条纹投影系统的工作原理及设计指标; 设计了基于复眼透镜阵列的LED匀光照明系统, 在DMD照明面内的照明均匀性为90.5%, 且能量利用率为45.8%; 设计了双远心结构的投影光学系统, 投影视场为66.5mm×37.5mm, 并在全视场范围内分辨率在8 lp/mm处的MTF值大于0.5。利用光学软件建立双远心数字投影整体系统模型, 仿真结果表明, 被投影区域均匀性为90.8%, 投影条纹在+/-7.5mm的离焦范围内投影清晰且周期均匀, 综合提高了3D 自动检测系统的投影质量。

基于部分相干光理论, 推导了空间部分相干光的等效表达式, 提出一种产生全息图的算法。算法根据推导的空间部分相干光表达式建立相应的数学模型, 且根据夫琅禾费衍射的光学性质, 将数学模型与角谱理论和迭代算法相结合; 在此基础上, 结合时间平均理论进一步降低散斑。通过散斑对比度和峰值信噪比进行图像质量评价, 理论结果表明: 所提算法产生的全息图再现图像可以将散斑对比度降低21.7%。

提出并制作了一种弯曲形变与应力拉伸可区分测量的全光纤敏感元件。全光纤敏感元件使用193nm ArF准分子激光器在单模-色散补偿-单模的干涉上刻写光栅, 组成光栅和迈克尔逊干涉的并联结构。分析了光纤敏感元件对弯曲和应力拉伸的响应机理。对光纤敏感元件进行了弯曲和拉伸测试, 实验结果表明: 在0～1.4m-1曲率下, 1524.27nm处干涉波谷的弯曲灵敏度为4.53dB/m-1, 线性度为0.991,光栅布拉格谐振峰处的能量基本不发生变化; 在0～500με拉伸形变范围内,1524.27nm处干涉波谷的形变拉伸灵敏度为-1.02pm/με, 线性度为0.979。布拉格谐振模式的形变拉伸灵敏度为0.615pm/με, 线性度为0.990。所提光纤敏感元件能够区分测量弯曲形变和应力拉伸, 其在工业应用具有较好的前景。

研制了一种基于共焦轴向层析定焦、自准直横向定焦的共焦自准直中心偏测量装置。利用共焦探测模块对被测球面镜的球心和顶点位置进行定焦, 从而测得被测球面镜的曲率半径; 利用光路自准直方法探测被测镜旋转过程中反射光在探测面上的路径获得被测镜的偏心量, 结合偏心量和曲率半径计算得出中心偏。与传统中心偏测量装置相比, 所提测量装置可以同时测得曲率半径和中心偏, 避免了重复装卡引入的测量误差, 有效地提高了测量精度、简化了测量过程、降低了测量成本。实验结果表明测量装置的中心偏重复测量不确定度可达0.065″。

实现了一种基于数字信号处理技术的高精度轮廓线激光视觉检测装置。激光视觉检测装置采用了蓝色激光光学系统, 以DSP芯片为核心对采集到的数字信号进行处理和分析; 取样速度达1.28×107点/s。利用所述激光装置和气浮运动平台, 实现了对SOP和QFP芯片引脚等小型电子部件高精度检测。所述激光装置可应用于生产线或设备上移动的产品, 如黑色和光泽表面的轴承、木材或者石膏等的准确测量。

当前较多遥感图像融合算法是利用主成分分析方法来完成遥感图像的融合, 由于主成分分析方法融合后的图像会产生光谱畸变, 易导致所融合图像存在光谱失真的问题。对此, 设计了一种采用双正交小波变换耦合区域梯度特征的遥感图像融合算法。对多光谱图像进行色调-饱和度-亮度变换, 以获取多光谱图像的亮度分量, 引入双正交小波变换将该亮度分量与全色图像进行小波域分解, 以获取图像的低频与高频子带; 通过低频子带中像素点的区域梯度特征构造均值梯度模型, 用于求取低频子带融合系数, 利用高频子带中像素点对应的区域方差构造相似度因子, 用于求取高频子带融合系数; 通过色调-饱和度-亮度与双正交小波的逆变换获取所融合遥感图像。仿真实验结果显示, 所设计方法与当前遥感图像融合方法相比, 融合的遥感图像具有更好的视觉效果。

设计一种融入3D打印技术, 实现在高电压、强电磁场环境下检测振动信号的全绝缘多简支梁光纤Bragg光栅振动传感器。通过3D打印机制作而成, 由粘贴于简支梁的光纤Bragg光栅受质量块驱动而产生应变, 通过解调光栅波长变化量实现对振动信号的检测; 有限元分析振动传感器谐振频率为232.47Hz, 应变灵敏度为5.826με·g-1时, 加速度灵敏度为6.991pm·g-1, 表明了传感器理论上的测量带宽及传感器对检测信号的反应程度良好。实验结果表明: 传感器谐振频率为240Hz, 加速度灵敏度为6.270pm·g-1, 线性度为3.3%, 表明了传感器实际的测量带宽及传感器对检测信号的反应程度; 材料选用全绝缘的尼龙材料, 具有良好的绝缘性。

针对超高射频**射频高、弹丸空间散布大、飞行速度高的特点, 设计了一种大面积高精度的激光光幕靶, 用于射击密集度的测试。提出了由线激光器、光源整形系统、激光检测阵列共同组成的激光光幕靶设计方案, 给出了弹丸坐标的求解原理和计算模型, 得出不同大小靶面的x、y坐标计算误差, 并对结果进行了分析, x坐标计算误差的标准差为0.015mm, y坐标计算误差的标准差为0.134mm, 证明了测试靶有很好的可拓展性。通过实弹射击验证, 得到x坐标最大误差为1.91mm, y坐标最大误差为1.92mm, 表明测试靶可以有效满足超高射频**射击密集度测试需求。

针对渐进多焦点镜片的评价问题, 提出了利用像质评价参数MTF对渐进多焦点镜片进行客观评价, 通过对镜-眼联合光学系统的MTF理论仿真分析来评价渐进多焦点镜片的成像质量。考虑了人眼在实际视物时须有一定的转动角度与实际佩戴镜片的2个特征: 镜面角与倾斜角, 将装配镜片时的倾斜角与镜面角设定为0～10°; 将人眼视物时的转动角度, 在戴镜的情况下设定为±20°, 表现为视远区、过渡区与视近区; 将人眼视物时的清晰成像的较大视场设定为±5°。利用光学设计软件对6只渐近多焦点镜片中的6个典型区域进行分析, 结果表明: 像散主要由子午光束与弧矢光束没有汇聚在一个点上造成的, 而渐进多焦点镜片的焦点呈渐进变化, 其表面为非旋转对称的复杂表面, 镜片的像散不同, 其改变佩戴角度后会对成像质量造成一定影响。佩戴角度中的倾斜角对镜片MTF值的影响比镜面角对镜片MTF值的影响大。实际佩戴角度在不同视场下会对渐进多焦点镜片的成像质量造成一定的影响, 利用像质评价参数MTF来评价渐进多焦点镜片时应将其考虑在内。

为了提高密文的安全性, 设计了基于混合相位掩码与Gyrator小波变换的光学图像加密算法。基于Logistic映射, 利用明文像素对其迭代, 生成一个随机相位掩码, 引入Fresnel波带与Hilbert相位函数, 获取二者对应的相位掩码, 通过对这三个相位掩码进行组合, 形成一个混合相位掩码, 对输入明文进行调制处理; 联合Gyrator变换与小波变换, 构建Gyrator小波变换机制, 根据明文像素迭代Logistic映射所输出的混沌序列来计算其旋转角度, 获取明文Gyrator频谱对应的4个子带; 对这些子带进行位置复用, 借助幅度-相位截断技术, 获取相应的密文与相位信息, 而相位信息则视为解密密钥, 以准确复原明文。实验数据表明: 与当前非对称光学加密机制相比, 所提算法具有更高的密文安全性与抗明文攻击能力。

随着COB封装技术发展, 采用LED芯片构建液晶显示器背光组件成为一种新的思路; 提出了LED芯片COB板结合配光透镜阵列的透镜阵列型COB新颖背光组件; 通过LIGHTTOOLS软件构建了3.8 Inch机载平视显示器数字像源背光组件模型, 仿真分析照度均匀性达到98%, 空间亮度均匀性超过85%, 光能利用率超过90%。与LED芯片COB板背光组件、及机载平视显示器正用数字像源LED灯珠阵列背光组件照度、空间亮度和强度视角分布进行了仿真对比, 在同样输出3150 Lumen情况下, 透镜阵列型 COB背光组件照度超过6.6×105Lux、空间亮度接近2.0×106Nit, 远远超过其他两种背光形式, 同时保持了与LED灯珠阵列背光基本相同的视角包络。

针对激光点云数据中存在的大量冗余信息, 造成传输、存储等后续处理环节付出多余的硬件和时间成本的问题, 提出了一种基于特征信息的点云精简方法。利用自适应近邻点进行PCA计算点云法矢; 利用冯.米塞斯分布进行边缘点提取, 对非边缘点以点法矢为基础赋予其距离权重进行阈值判断, 提取特征点; 划分空间均匀网格, 以网格为单元计算法矢均值, 提取潜在特征点; 对网格非特征点进行单点提取。以标准的Bunny和工件模型为对象进行了MATLAB仿真实验, 所提算法与传统非均匀网格法、聚类法、三角面片消减法比较: 在精简比1∶5、1∶10、1∶15、1∶20情况下, 最大误差降低27%以上, 平均误差降低12%以上。实验结果表明所提算法在特征信息较多的模型处理上具有更好的精简能力。

为了更好地研究叶绿素荧光特性和分析植物生长状况, 提出了从植物叶片微观结构的特点出发分析影响叶绿素荧光测量的一种研究方法。采用波长为460nm的LED作为光源激发叶绿素荧光, 经滤光片后, 通过CCD分别获取宏观叶绿素荧光和微观叶绿素荧光, 对荧光图像进行预处理并获得叶绿素荧光比率Rfd均值; 在显微镜下用CMOS获取叶片的显微图像, 测量上表皮厚度、栅栏组织厚度和叶片厚度等微观结构几何参数; 统计分析了叶片微观结构对宏观荧光测量的影响情况。结果表明, 对于像植物这种复杂的活体被测对象, 测量时应该考虑植物叶片微观结构对植物叶绿素荧光测量的影响。

采用平面工艺制备了大面积Si-PIN探测器, 探测器厚度300μm, 直径分别Φ50mm、Φ60mm。在室温环境下测量了探测器的漏电流及226Ra-α粒子能谱响应。结果表明大面积Si-PIN探测器具有耐压能力强、漏电流小、能量分辨率高等优点, 能够满足核辐射探测领域的相关应用。

针对当前动作识别技术中通常忽略上下文信息, 且其局部形状描述对噪声敏感, 难以有效处理运动模式的类内变化等不足, 提出一种3D运动轨迹解析耦合隐马尔可夫模型的动作识别算法。定义四种轨迹基元(直线、平面圆弧、左螺旋线与右螺旋线), 采用基于Kalman 的线性平滑器来降低干扰信息与异常值, 将3D轨迹分解和解析成不同的轨迹基元, 充分减少干扰信息对轨迹数据的影响, 同时保持形状和运动特性。为了避免丢失详细的局部形状信息, 设计一种形状描述符, 将轨迹基元进一步分割成子基元, 将每个运动轨迹表示为子基元的时间序列。引入隐马尔可夫模型, 根据运动数据的先验知识来模拟运动分类, 基于最大后验概率准则来进行运动识别。实验结果表明: 与当前流行的动作识别算法比较, 所提算法能有效识别各种动作类别, 对尺度变化, 以及局部噪声和局部遮挡具有更高的识别精度。

为了提高光学图像加密系统中双随机相位编码加密技术的安全性, 提出了一种基于DNA编码与菲涅尔域DRPE的双重光学加密技术。对光学图像进行DNA编码, 通过DNA编码的加法运算与交叉操作对光学图像进行初步的置乱处理; 在菲涅尔域对像素进行双随机相位编码加密处理, 在加密过程中使用一个副图像生成两个混合相位模板; 将双随机相位编码加密的图像与两个随机矩阵的克罗内克乘积相乘, 获得最终的加密结果。仿真实验结果表明, 所提加密方案在加密过程中增加了密钥数量, 通过双重置乱处理增强了加密系统的抗攻击能力。