通过构建肢体运动模型,运用C空间到关节空间映射理论得到关节空间中的运动参数(角位移/肢体长度)。基于光学运动捕捉仪采集步态运动实时序列,运用最小二乘法拟合关节点计算肢体长度,然后分析点坐标误差和关节长度误差对角位移的影响。结果显示,通过最小二乘拟合法计算得到的肢体长度误差小于0.5 mm,尺寸误差在0.3%以内,点误差和肢体长度误差引起的角位移误差在1.5%以内。此方法稳定可靠且精度高。

为提高圆孔的光学显微测量准确性,研究了基于超分辨图像复原的显微圆孔孔径测量方法。该方法通过超分辨图像复原处理圆孔显微图像,提高了传统光学显微系统对圆孔成像的分辨率,确定了以超分辨复原图像灰度值为0.399作为圆孔物理边缘判据,实现对圆孔边缘的准确探测。理论分析表明该方法可准确测量微米级及以上直径圆孔。核孔膜孔径测量实验中,由二值化图像得到孔径测量结果为6.35 μm(测量不确定度为0.08 μm),与扫描电镜测量结果6.268 μm(测量不确定度为0.083 μm)相符,测量误差仅0.08 μm。该技术有助于实现对圆孔形状的快速、准确在线测量。

金相显微镜是一种经典的测量分析仪器,已经实现了金相显微镜图像的数字化采集,并恢复了三维微观形貌。首先,对金相显微镜的载物台加装电机,利用电机带动载物台进行精密移动,在载物台移动过程中,对被测物体等步距拍摄序列图像。然后,根据聚焦形貌恢复的原理,采用修正的拉普拉斯算子进行聚焦程度判断,利用高斯插值方法获取聚焦程度最大值以及此时被测表面的高度信息,恢复三维形貌。最后,利用金相显微镜对粗糙度样块进行测量,获得了相符的测量结果。该方法对于扩展金相显微镜的测量范围具有积极意义。

研究了基于选择最优滤光片多光谱成像系统优化问题,采用了优化的滤光片组合,组建了一个六通道的多光谱成像系统。利用提出的基向量和多项式组合的方式重构光谱数据,成功重建出博物馆、美术馆等展览馆常用的两种典型光源模拟器D65和A光源下油画的光谱反射率,并以光谱均方误差和色差综合误差评价成像质量。对两种光源下重建结果分析可得,最优滤光片的选取与光照环境密切相关。根据光照环境不同采用选取出的最优滤光片可得到最好光谱成像图,并且能在光谱和色度上都达到较高精度。

为了制备出表面具有准规则排列的微米量级锥形尖峰结构的黑硅材料,在SF6气体氛围中,用一定能量密度的飞秒脉冲激光照射单晶硅片表面。针对激光通量和激光峰值功率这两个参量分别进行实验,具体分析了15 fs和130 fs脉冲宽度的飞秒激光脉冲作用下硅表面微结构的形成,不同实验条件下制备出的硅微纳结构也有明显的差异。研究表明,在同一背景气体下,激光的峰值功率对硅表面微结构的形成起着决定性的作用。

光学显微成像中,光学物镜、电子成像等对显微图像质量的影响较大,容易形成退化,导致获取的显微图像细节不够清晰。结合数码显微成像的具体需求,提出一种后处理细节增强处理方法。分析了数码显微成像系统的退化过程,强调了光学退化等带来的模糊细节的效应。一方面,利用尺寸变化的双窗口,可以框定凸显不同尺寸的细节信息,实现局部信息的分析;另一方面,利用局部窗口内极大值与极小值分析,并与原图信息比对以获取细节图像。两者综合,最终实现细节的增强。测试实验表明,该方法能够很好地适用于数码显微成像系统,运行速度快,增强效果好。以视觉清晰度指标、灰度平均梯度与拉普拉斯算子和指标作衡量,增强后评价指标提升的平均百分比分别为20.9%、71.2%与81.8%。

pin器件在整流和探测领域都有着重要的潜在应用价值。为了提高器件伏安和光电探测性能,提出了一种新型的p-硅/i-氧化铝/n-掺铝氧化锌(AZO)结构器件,并利用原子层沉积技术(ALD)在低温下实现了器件制备。分析了器件的伏安特性,结果显示相比传统的pn结构器件,新结构在无光条件下实现了152的整流比。通过增加i层的沉积厚度,可以有效抑制遂穿效应,减小暗电流,提高光电检测的灵敏度,实现了比传统材料更高的光生电流灵敏度。

针对在六角孔形周期性结构阵列铜网上生长而成的石墨烯,对其在太赫兹波段的吸收进行了研究与讨论。用太赫兹时域光谱耦合系统对石墨烯样品进行检测,检测结果表明,在0.7~1.4 THz范围内,因石墨烯样品含有的杂质增强了对太赫兹波的吸收,进而增大了整体的吸收率,所以片状石墨烯样品的吸收率约为4%,比以往文献中记载的2.3%高。因部分太赫兹波被石墨烯周期性结构形成的等离子带吸收,还有少部分太赫兹波被周期性结构干涉和散射,周期性结构石墨烯的吸收率增大了约1.5倍。

设计了一种采用波长为650 nm的单色红光为光源,焦距为450 mm,D/f′=1∶9.375,视场角2w=0.6°的摄远物镜,主要应用在自准直仪上,利用其筒长小于系统焦距的特点,可以使仪器的体积更加小巧,方便携带。摄远结构可校正系统的球差、彗差、色差、象散和场曲。采用波长为650 nm的红光光源,所以不用考虑色差的因素。摄远结构筒长L与系统焦距f ′之比控制在2/3~3/4之间,摄远比达到了0.54。MTF曲线也达到了衍射极限,可有效提高检测精度,仪器的测量范围在1.5 m之内。最后推导出了通过修调正负镜组之间的间隔来对仪器的示值误差进行补偿公式。

为满足全景监控镜头的高清、大视场的要求,采用反远距系统设计了工作波段为可见的4.86~6.56 μm、F数为2、垂直全视场角为185°、焦距为1.3 mm的1 000万像素高清全景监控镜头光学系统。通过匹配光学材料和分配透镜光焦度,在-20~+60 ℃温度范围内对全景监控镜头光学系统进行了设计及像质评价。结果表明,系统在奈奎斯特频率300 lp·mm-1处中心视场的光学调制传函接近衍射极限,大于0.4,0.7视场以内的光学调制传函大于0.3。系统整体无温度离焦,成像质量良好、结构紧凑,且适用于感光面尺寸为6.119 mm × 4.589 mm、像元数为3 664×2 748的CMOS探测器。

为解决传统光学显微镜样本上每一点的图像都受到邻近点衍射或散射光干扰的问题,研发了一套基于C# WinForm控制平台进行连续扫描方式的激光共焦扫描显微镜(LCSM)系统,并且成功地对生物细胞进行了扫描成像。针对共焦显微镜图像像质不高的问题,提出合理选取探测器针孔直径,并通过高斯低通滤波、盲解卷积的方法,确保实现高像质。实验结果表明,基于上述方法改进后的LCSM具有较高图像质量,该方法简单易行,便于实施。

采用溶胶凝胶浸渍提拉工艺在玻璃表面制备了双层增透膜,该薄膜由折射率分别为1.12和1.33的两层膜构成。薄膜在380~1 100 nm和1 100~2 500 nm范围内平均透过率较空白玻璃分别提高了7.68%和4.39%。薄膜接触角大约141°,且表层膜在2个月内能保持较高的疏水效果。双层增透膜制备方法简单,在宽光谱耐环境减反射领域有一定的应用潜力。

为了探究甲醇气体在太赫兹波段的共振特性,利用太赫兹时域光谱对甲醇气体进行了测量,得到了其时域波形,观测到了自由感应衰变这一现象。根据朗博比尔定律对气体吸收谱的计算得到转动谱线间隔,并对自由感应衰变这一现象进行了深入的解释,这些结果对于太赫兹波段的气体检测、分析和识别具有参考价值。

提出了一种在太赫兹频段可以用来实现超聚焦效应和具有高透射率能力的奇异表面等离子体棱镜结构。这种奇异的棱镜结构是由三个亚波长孔和在金属板两端雕刻有有限个周期性排列的浅槽组成。通过利用表面等离子体激元(SPPs)和超常光学透射(EOT)现象的相关理论,证明了所设计的棱镜结构可以产生一个半高宽(FWHM)约为1/4λ的聚焦点,其透射率是传统的表面等离子体棱镜结构的4.6倍。所设计结构可应用于超分辨成像、光刻、功能性探测等方面。

提出并优化设计了一种结合光波导谐振技术的窄谱干涉的测速(或测长)技术及其系统,该技术兼有白光干涉的绝对测量和单色光干涉响应多普勒频移的特点。工作光波由分布式反馈激光器经双环石英波导谐振后提供,两支同源窄带光经多普勒频移后叠加干涉,干涉结果包含了速度信息。优化设计采用了多目标优化SPEA2算法,数值仿真结果显示,系统可以达到0.01 mm/s速度变动的测试响应。

为了进一步提高光纤通信传输容量以及突破单模光纤的容量极限,提出了一种新型的模式复用器结构,该结构可以将单模光纤中的纤芯基模转换为双模光纤中的高阶模。基于耦合模理论,通过MATLAB仿真与计算,证明此复用器的模式转换率可以达到100%,转换带宽为10 nm。由于其良好的转换效率和带宽,此复用器装置可以用于模分复用传输系统中来增加光纤通信的传输容量。