激光会聚铬原子沉积实验所需时间可长达几十分钟至几个小时, 实验过程中要求激光频率的波动小于5MHz, 感生荧光稳频技术能够解决原子沉积实验中激光频率漂移的问题。为了保证激光频率的长时间稳定性, 对稳频系统的误差信号随激光功率及原子炉温度的变化情况进行了研究。结果显示, 在光强为8mW, 原子炉温度为1923K时, 激光频率的长期漂移可抑制到最小, 在200分钟内的频率波动仅有±0.6MHz。同时, 重复实验的结果也表明稳频系统具有很好的稳定性, 从而为原子沉积技术提供了保障, 并提高了沉积实验的重复性。

变焦光学系统在连续变焦过程中, 由于变焦曲线的计算和加工精度, 导致实际像面离焦, 成像质量下降。变焦系统的特点是长焦距对应窄视场, 短焦距对应宽视场。将波前编码技术应用于变焦系统, 在系统的光瞳面设置相位掩模,则扩展了原系统的焦深和景深, 使调制传递函数对离焦不敏感, 同时提高短焦距宽视场的边缘成像质量。文章对原系统和应用波前编码技术的新系统的成像特性进行了分析和对比,随后讨论了掩模板的相位因子对系统的景深、焦深延拓以及对像质的稳定作用。仿真显示: 变焦波前编码光学系统对离焦不敏感, 可以很好地扩大系统的焦深和景深、稳定边缘视场的像质, 具有很高的实用价值。

为了实现甲烷浓度的测量, 设计了基于差分吸收检测原理的甲烷浓度检测系统。检测系统中的气室部分使用了全反射棱镜配合凹面镜的方法来增加光程, 使光能够被气体充分吸收, 达到了提高测量精度的效果。在测量过程中, 受到环境因素的影响, 使得接受的信号中存在大量的噪声, 为此提出利用小波优化EEMD的方法对接收的信号进行去噪处理, 得到的信噪比为16.9925, 均方根误差为1.5447×10-4。实验结果表明相比于EEMD或小波的去噪方法, 使用小波优化后的EEMD具有更好的噪声抑制效果, 方法适用于甲烷收发谱信号的去噪处理。

为了解决数字图像亚像素级高精度尺寸检测问题, 采用了基于人工神经网络的线阵相机镜头畸变矫正方法, 比传统的多项式拟合法矫正精度高且操作简便; 提出了将光栅尺融入线阵相机扫描机构的新方法, 利用高精度光栅尺测位移信号触发线阵CCD图像采集动作, 精确获取线阵相机扫描目标的亚像素级图像。实验证明, 新的测量技术可在对运动系统要求不高的情况下获取高精度图像, 图像检测精度可以达到1μm。

食品着色剂大多含有对人体有害的物质, 需要严格控制其用量。利用吸收光谱法和荧光光谱法测量出了五种常见的食品着色剂亮蓝、胭脂红、苋菜红、柠檬黄、日落黄的吸收光谱和荧光光谱。当溶液浓度较小时, 对五种着色剂进行了光谱强度和溶液浓度的线性拟合, 拟合得到的线性区间非常小, 利用线性关系对溶液浓度进行定标存在较大的局限性, 在高浓度时必须进行稀释。利用非线性拟合的方法在较大的浓度范围内探究了五种着色剂的光谱强度与溶液浓度的关系, 在此基础上, 分别用线性定标法(先稀释)和非线性定标法对一种饮料中的着色剂含量进行了测量, 并对两种方法的测量结果进行了比较, 为扩大溶液的定标范围提供了一种参考方法和实验依据。

金属纳米粒子的尺寸和形状对其物理和化学性质有很大影响, 通常利用昂贵的透射电子显微镜和扫描电子显微镜进行其尺寸测量。为了节约测量成本, 利用时域有限差分法研究了金纳米棒的尺寸与吸收峰的对应关系得到间接的测量方法。即当金纳米棒的纵横比增大时, 横向等离子峰几乎没有变化, 纵向等离子峰出现明显的红移, 且红移速度随着金纳米棒半径的增大而增大。实际制备了两种不同尺寸的金纳米棒样品, 通过理论模拟确定的金纳米棒的尺寸与利用透射电子显微镜测量的金纳米棒的尺寸符合的很好。

生物传感器在近几年发展迅速, 在医疗应用以及环境检测等发挥了重要的作用, 尤其是基于SOI(silicon-on-insulator)平台的光波导的生物传感器, 由于其成本低, 尺寸小等优点, 成为近几年的研究热点。故在单狭缝波导的基础上, 提出了一种新型双狭缝波导生物传感器, 通过研究生物传感器的原理, 并且利用有限单元法算法, 优化了该结构的参数。优化后的传感器相比于单狭缝生物传感器, 限制因子提高到52.96%, 灵敏度为1.10/RIU。

提出并设计了基于侧边抛磨传感臂结构的光纤Mach-Zehnder干涉结构, 并对其温度传感特性进行了研究。通过将两支分光比为50∶50的1×2端口光纤耦合器相对熔接, 构建光纤Mach-Zehnder干涉结构, 采用单模光纤作为干涉结构的参考臂。基于侧面研磨技术在3m长纤芯/包层尺寸为9/125μm的单模光纤上进行抛光, 抛光时长为5h, 制备了研磨长度为20mm、深度为50μm的光泄露窗作为干涉结构的传感臂, 提高传感器的灵敏度。采用宽带光源对Mach-Zehnder干涉结构的透射光谱进行测试, 干涉周期为0.66nm。实验中对传感结构进行了温度测试及分析, 选取波谷位置为1551.48nm作为测试点。在25~60℃的升温范围内干涉条纹向长波方向移动3.97nm, 传感器的温度灵敏度为115.4pm/℃。不同温度下对应波谷的波长位移量与外界温度呈现良好的线性关系, 线性度为0.9940, 功率漂移小于1.66dB, 具有较好的功率稳定性。

设计了一种基于迈克尔逊干涉仪的光纤微流速传感器。传感器由单模光纤、双芯光纤、小球、高反膜构成。通过数值计算分析了双芯光纤长度、纤芯间距、小球半径和流体密度对传感器敏感度的影响。仿真结果表明, 光纤长度和小球半径的减小均能提高传感器的敏感度, 而双芯光纤的纤芯间距对敏感度的影响较小; 流体密度越大, 传感器的敏感度越小。计算结果显示, 传感器可以在较小尺寸的情况下实现超高灵敏度的流速测量。同时, 对不同设计参数下传感器输出的自由光谱范围进行理论推导与数值计算, 发现传感器各个参数与自由光谱范围成1/x或1/x1.5的关系。

基于光纤拉曼散射效应和Monte-Carlo法, 建立了一种分布式光纤拉曼温度传感系统(DTS)传感模型。应用改进的PSO算法对所建立的传感模型进行参数辨识, 分析了种群数目、迭代次数、惯性权重、加速度因子等参数选值对算法的影响, 选取了最佳参数组合。搭建了分布式光纤温度传感系统实验平台, 运用所建立的DTS传感模型对分布式光纤温度传感系统进行相关的仿真及预测。实验及仿真结果表明,传感模型在空间分辨率为1m时, 预测误差≤±0.25%; 该分布式光纤温度传感系统测温误差≤±0.40℃。

精确的注册是光学透视式头戴增强现实显示系统的核心技术, 而光学透视式头戴显示设备的精准量化标定是精准注册的基础。为了实现对标定结果精准程度的衡量, 结合光学透视式头戴显示设备的显示特性, 提出了一套量化虚实匹配程度的用户评价方法。与传统方法相比, 方法对不同用户的视觉反馈信息进行量化分析, 克服了在标定结果评价上无法量化虚实配准效果的困难。进一步以导引插线的增强现实场景直观地评价了用户可接受的虚实匹配场景精细程度。实验结果定量地给出了用户对标定结果精度的评价, 给增强现实场景设计提供了参考。

描述了一种新的视错觉现象, 运用MATLAB软件对近视者观察等间距密集网格所产生的网格错位现象进行模拟计算分析, 研究了近视程度、网格形状和网格间距对视觉错觉现象的影响规律。通过对不同情况下光线叠加产生的视觉图像进行理论推导, 得到了与真实现象较相符的理论。从推导结论可知,在网格间距与近视度数成不同比例时会出现不同的视觉错位现象, 且该现象的成因与泊松亮斑间有较深的联系。研究结果为进一步了解视觉错觉的产生机制和人眼对图像的处理过程提供了理论依据, 为防治近视错觉可能导致的安全事故提供了帮助, 并对存在相同结构的二维材料研究提供了参考价值。

针对现有共焦拉曼光谱显微图像噪声去除不足的问题, 提出一种基于小波变换的拉曼图像全面去噪方法。首先对拉曼光谱图像进行小波变换处理, 然后再对拉曼图像进行双边滤波处理, 进而实现拉曼光谱显微图像中噪声干扰的抑制。理论分析和实验表明: 与现有拉曼光谱显微图像去噪方法相比, 所提方法使拉曼光谱显微图像的峰值信噪比和结构相似度分别改善了92.99%和197%, 其有效提高了拉曼光谱图像的信噪比和物质成分分析的准确率。

光学相干断层扫描(OCT)作为眼科疾病的重要诊断手段之一, 具有巨大的发展潜力。OCT图像中含有大量的散斑噪声, 会影响图像病理信息的检测和提取。提出一种去除OCT图像散斑噪声的方法, 依据散斑噪声的乘性特性建立了乘性噪声模型。针对双域滤波中产生的伪吉布斯现象, 引入各向异性扩散获得引导图像, 代替了算法中的自身引导, 减少了迭代次数。结果显示, 所提方法提高了算法效率与图像质量, 算法运行时间大幅度下降, 图像峰值信噪比(PSNR)提高到36dB, 结构相似性(SSIM)和边缘保持系数(EPI)分别达到0.8和0.7左右, 有效抑制了OCT图像中的散斑噪声。

计算关联成像是利用成像物体的反射或透射信号与结构化的参考光进行多次关联成像, 具有了灵敏度高、抗干扰能力强等优点。当物体和计算关联成像系统存在相对运动时, 在成像过程中物体的反射或透射信号与参考光的光场涨落失去关联性, 进而会产生运动模糊。从二阶关联函数的角度推导了运动成像导致模糊的原因以及追踪补偿原理; 恢复计算关联成像系统中参考光和桶探测器收集的光强值的关联性, 实现了计算关联成像中的追踪补偿策略; 计算机仿真解释了计算关联成像光路中对物体平移干扰进行补偿的策略, 证实了该追踪补偿方法对运动物体成像的有效性, 克服了物体与成像系统之间的相对运动引起的成像质量下降。方法为关联成像对运动物体的识别、跟踪、遥感和实时在线成像提供了技术手段。

目前基于混沌系统的彩色图像加密算法并未充分地考虑图像时频域特征, 并且具有密钥空间小的缺点, 对此提出了一种基于离散正交S变换域的彩色图像编解码技术。将图像分解为RGB三色通道, 对每个通道分别进行离散正交S变换(DOST); 对各通道使用一级离散小波变换(DWT), 将每个通道分解为四个子带; 使用 DWT分解各子带; 对奇异值进行乘法运算, 使用新奇异值重构所有的子带。可将DOST的子带数量、奇异值参数以及DWT子带的排列顺序作为密钥, 从密钥获取难度极高。实验结果表明, 方法具有较好的加密效果, 安全性优于其他的算法。

针对当前红外(IR)与可见光(VI)图像融合中细节保留能力不足及目标配准精度不高的问题, 设计了一种多尺度2D经验模态分解耦合非下采样方向滤波器组(NSDFB)的红外与可见光图像融合算法。分别计算红外与可见光图像的熵值, 并比较二者阈值的大小, 计算阈值较大图像的残差。通过2D经验模态分解(2D-EMD)和NSDFB机制, 构建了多尺度方向分解模型, 将熵值较大图像的残差和熵值较小的图像变换为高频方向系数与低频系数, 以获得源图像的细节和特征信息。对于低频系数, 引入加权平均作为低频系数的融合准则; 根据区域能量对比度与清晰度来定义融合规则, 完成高频系数的融合。利用2D-EMD多尺度分解逆变换将获取的低频与高频系数生成新图像。实验表明: 与当前常用红外与可见光图像融合对比, 所提算法具有更高的融合质量, 所输出的图像具有更好的对比度与丰富的细节信息。

为快速有效评价临床使用内窥镜图像相对畸变的程度, 提出一种基于椭圆拟合的检测方法。对内窥镜采集到的标准板图像进行二值化处理和图像分割; 运用anny算子对图像进行边缘检测并提取坐标值, 通过最小二乘法拟合椭圆, 求得椭圆参数; 计算相对畸变率。对3支内窥镜进行了椭圆拟合和定位质心相对畸变率检测, 结果显示相对畸变率在30%左右, 一致性差在2%左右, 椭圆拟合相较而言稳定性更好。

提出了一种基于预应力的超低温漂光纤光栅封装方法并进行了实验测试, 通过分析光纤光栅的应力和温度交叉作用的原理, 结合硬铝材料和石英管材料不同的膨胀系数, 在光纤光栅上施加预应力的结构来解决光纤光栅温度补偿问题; 通过设计和制作含预应力的封装结构产生负温度效应的方法, 使封装的光纤光栅实现光纤光栅中心波长超低温度漂移。实验结果表明: 在温度为20~80℃的测试范围内, 这种封装结构可实现光纤光栅0.0002nm/℃的超低温度漂移, 而且具有良好的稳定性和一致性。

火焰抛光是一种运用于光学玻璃零件深加工的新技术, 通过分析温度对光学零件表面粗糙度(透过率)的影响, 以及温度对光学零件表面面型的影响, 制定电加热的光学零件火焰抛光工艺方法, 并通过正交实验制定K9光学零件的火焰抛光工艺参数。本项技术的实施可大幅度降低成本, 并减轻劳动强度, 提高工效, 有推广应用价值。

聚乙烯醇掺杂液晶(PVA∶LC)水溶液经流延成膜-拉伸取向-热固化定形, 制备成散射偏光片。研究了样品外观与微观特性, 采用紫外-可见分光光度计测试了样品的光学特性, 其偏振度约为86%, 红光透光率约为54%, 绿光透光率约为49.16%, 蓝光透光率约为44%, 较之前对散射偏光片的实验研究, 得到了偏光度与透光率均较为理想的散射偏光片样品。测试了散射偏光片的琼斯矩阵参量, 给出散射偏光片的琼斯矩阵表示式。散射偏光片是一种新型偏光器件, 它的研制具有一定的偏振光学意义和应用价值, 对其进行理论研究, 可以有效的指导散射偏光片的研制实验和后期应用。