气动热环境下光学头罩由于受气动热效应作用，其形状和光学性质都将发生改变，从而影响头罩内的光传输。建立气动光学头罩有限元分析模型，根据热光效应和弹光效应理论，对头罩的折射率场进行数值计算，采用四阶龙格-库塔法编制光线追迹程序对气动光学头罩内红外辐射光线传输进行了数值仿真，得到了头罩光学系统出射波面波像差和调制传递函数。研究结果表明：气动热环境下热光效应对光学头罩光传输的影响远比弹光效应大，且气动光学头罩成像质量受到气动热效应的影响严重下降，为了提高高速飞行器的制导精度，不能忽视气动热对头罩光传输的影响。

介绍一个紫外-可见宽光谱显微物镜的设计过程。通过改进的PW法求解初始结构参数，确定采用两个分离的正负透镜组组成透射式光学系统，根据光学材料的色散特性，选取正透镜材料为CaF2，负透镜材料为熔石英，通过建立复消色差方程组来分配双分离透镜的光焦度，合理地对两组透镜的偏角进行分配。运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化，使系统的位置色差和二级光谱同时得到校正，实现了复消色差。仿真结果表明：系统在整个视场范围内，点列图弥散圆RMS半径值小于5 ，最大视场处的像散为0.058，畸变为0.04 %。

控制套印误差是现代印刷技术的重要课题，而印刷机滚筒在旋转过程中表面各点的切向位移偏差是套印误差产生的主要原因。为此，论文设计并实现了旋转部件切向位移偏差实时监测系统，该系统利用光电检测以及模/数混合信号处理方法实现了对印刷机套印误差的实时监测，可用于高精度印刷机械的研发与制造过程。系统采用了条形码编码技术、虚拟标尺技术、动态切向位移偏差实时测量技术以及自适应动平衡技术4项关键技术，测量精度可达到±10 μm。

对称FIR(有限冲激响应)滤波器的严格的线性相位特性和系统稳定性在数据传输、图像处理等领域得到了广泛的应用。基于单点处理模式的传统数字滤波器能实时处理点信号，但在处理图像、语音等帧信号时，速度较慢，实时性不强。针对这个问题提出了块处理模式的解决方案。通过分析FIR滤波器的原理，设计出基于块处理模式的对称FIR滤波器，并在TMS320C5510芯片中实现。介绍了基于双指针循环寻址的滤波算法，并给出了相应的主要程序。计算机试验仿真表明块处理模式方案提高了帧信号的处理速度，滤波性能良好。

随着大功率LED发射光强的不断提高，采用单粒LED为光源的照明系统已得到普遍应用。设计一种以LED为光源实现矩形均匀照明的透镜，根据微分几何的理论建立透镜面型所满足的微分方程，然后根据能量映射关系和能量守恒定律建立面型与目标面坐标点之间的关系，并通过四阶龙格-库塔法求解微分方程得到面型数据，利用所得的面型数据在三维建模软件Rhinoceros中构建出所求透镜面型，并将透镜导入ASAP进行模拟。模拟结果表明：该光学系统效率达到94.01%，目标面照度均匀性优于92.73%。最后分析了自由曲面的连续性，指出能量映射关系决定着自由曲面的连续性。

基于反射定律的矢量式易于追迹复杂系统中光线的三维空间传播方向，计算了别汉棱镜每一面反射光线的方向，利用琼斯矢量法建立每一反射平面的琼斯矩阵以及面与面之间的传输矩阵，得到了一束线偏振平行光通过别汉棱镜后像面上的偏振状态分布，即经由2个屋脊面出射的光束是2个方位角不同的椭圆偏振光，这2个方位角的大小与入射线偏振光的振动方向有关。采用斯托克斯参量测量法，对别汉棱镜像面上偏振状态的分布进行了实验检测，得到了与理论分析一致的结果，指出别汉棱镜的偏振效应将会导致出射光束偏振状态的不均匀分布。

针对传统透射型头盔显示器在眼睛调节焦距时，二维虚拟信息在视网膜上无法清晰成像问题，提出一种新型的透射型头盔显示器。采用麦克斯韦观察法原理，用微型LCD结合激光直接将图像成像到视网膜上，成像面独立于眼睛的调节，其目的是眼睛在调节过程中，图像总是清晰的。讨论了透射型头盔显示器显示原理，根据系统参数选择合适的初始结构，设计了光学系统，根据系统整体结构对混合现实的需要，加入半透半反结构，通过ZEMAX软件对系统进行优化。最后对系统功能做了验证，结果表明系统轴上视场MTF达到了衍射极限。

基于车载观瞄模拟系统的使用要求，根据高斯光学设计理论，运用Zemax光学设计软件设计了一种三组元变焦目镜。为了获得较好的像质及长出瞳距，目镜结构采用三组元结构。同时，为了使目镜在连续变焦时入瞳位置保持不变，将出瞳位置设为变量进行优化。最终设计结果为：焦距f=13.35 mm～24.11 mm，出瞳距离L=20.1 mm～27.5 mm,出瞳直径D约为8 mm，像面变化范围y′=4.6 mm～13.6 mm，变焦目镜变倍比约为1.83倍。在50 lp/mm时，4个组态MTF均大于0.3，且各组态点列图均小于艾利斑半径，高于人眼分辨极限，满足使用要求。最后利用Matlab软件编写程序进行曲线拟合，给出了三组元之间的3个间距和所对应系统焦距的变化曲线，拟合精度达0.01 mm。

为了得到中心对称光折变晶体中存在非相干耦合空间孤子族的结果，基于中心对称光折变晶体空间孤子的基本理论，推导出了中心对称光折变晶体中非相干耦合亮、暗和亮-暗混合空间孤子族空间归一化包络解的积分形式，并对其特性进行了数值模拟。结果表明：这种孤子族是由多束偏振方向和波长都相同的互不相干的光束耦合形成的，非相干耦合孤子族在中心对称光折变晶体中传播时，各分量成分光束都能稳定传播，当入射光束中只含有两分量时，空间孤子族退化为暗-暗、亮-亮和亮-暗空间孤子对。

主要研究采用离子束反应溅射(RIBS)制备SiO2薄膜的折射率、消光系数、化学计量比与氧气在氩氧混合工作气体中含量及其沉积速率的关系。研究结果表明：RIBS制备的SiO2薄膜在0.63 μm处折射率n= 1.48，消光系数小于10-5；随着沉积速率的增加，薄膜的折射率和消光系数随之变大，当沉积速率超过0.3 nm/s，即使是在纯氧环境溅射，折射率值也不低于1.5；通过对红外透射光谱的主吸收峰位置研究得到沉积的SiO2薄膜为缺氧型，化学计量比不超过1.8，且红外吸收峰位置和SiO2折射率存在对应关系，因此在不加热衬底情况下使用RIBS制备SiO2薄膜时，会限制沉积速率的提高。

为诊断激光等离子体X射线，研制了基于Bragg衍射原理的球面弯曲晶体。球面晶体可提高空间分辨、光谱分辨及立体角收集辐射能力。实验采用球面弯曲石英晶体作为分析器，X射线成像板作为成像器件，利用X射线衍射仪铬靶 Kα单色谱成像，验证了0.2 mm间隔双丝的单能像，球面弯晶具有较高的光谱分辨力和信噪比，谱分辨力可达1 000，聚光效率在同样距离条件下比平晶分析器高一个数量级以上。

基于衍射成像理论，用洛默尔函数得到仅有场曲的像点的光强分布积分式，进而得到像面对高斯面的偏离误差——场曲的解析式，结合模拟实验，探讨了无像散场曲和无像散像点的光强分布，分析它的三维形态图、斯特列尔比、逆滤波场曲校正等，所得结果有利于衍射成像理论与技术的应用。

为了提高图像分辨率，从软件的角度出发，对低分辨率图像序列重建高分辨率图像的原理和算法实现开展了研究，提出从多个低分辨率图像序列中获取更高分辨率图像的方法。通过采用基于光流场的金字塔分层结构实现由粗到精的图像配准，获取了亚像素的运动估计。在采用多帧低分辨率图像进行亚像素级配准后，提出采用动态自适应确定正则化参数的方法，构造了简单的正则化代价函数，建立了低分辨率图像与高分辨率图像之间关系的重建模型，仿真实验结果表明该超分辨率重建算法水平和垂直方向上分辨率各增加一倍，与其他算法相比清晰度更高，计算时间不到传统POCS算法的一半。

提出分离式水面探测器与其载体——水下运载器在动态基准条件下的空间间接定位算法。通过对解脱点处的大地直角坐标系、水下运载器坐标系、分离式水面探测器坐标系间的平移、旋转变换，及基于直线加速度计的二次积分位移矢量运算，推导出水下运载器与分离式水面探测器在动态基准下空间间接定位算法的数学解析模型。仿真表明：该模型能真实反映分离后的水下运载器在分离式水面探测器位置处大地直角坐标系中的空间位置关系。

脱火现象的分析研究是喷射火灾脱火法施救等诸多技术的重要基础。论文提出并较为深入地研究了火焰周边扰动气流脱火效能的图像分析技术。详细阐述了技术思想，分析了图像的获取及其信息的处理过程，建立了求解表征扰流脱火效能的火焰脱开距离数学模型，并通过专门设计的实验，初步验证了这一分析技术的可行性，为脱火现象的分析研究提供了重要的技术基础。

以热传导理论和热弹应力理论为基础，建立了连续平顶激光辐照锗材料的二维非稳态物理模型。对受辐照锗材料的热-力场分布进行数值模拟，比较了激光辐照时间对靶材热-力场分布的影响，探讨了温度场及应力场空间梯度随半径的分布以及激光辐照时间对热-力场空间梯度的影响。计算结果表明，靶材中心温升效应最大，而应力最大值出现在光斑半径外侧;光斑边缘处温度场和应力场梯度绝对值均达到最大，随着辐照时间的延长，材料同一点温度场和应力场梯度均增大。在给定条件下，计算了靶材的损伤时间，应力损伤域值最先达到。

针对序列图像中小目标的运动具有运动的连续性和轨迹的一致性等特征，提出了采用单帧检测和多帧检测相结合的处理方法。对单帧图像进行预处理和图像分割，得到去掉大部分背景和噪声点的图像，并在图像中选取候选目标点进行标记。然后对处理后的序列图像进行N帧叠加。对叠加图中的标定点利用8邻域搜索法进行目标筛选，进而检测出目标。实验结果表明，该方法实用性强，能简单、快速、有效地检测出序列图像中的运动小目标。

针对条纹投影术提取物体高度信息的问题，提出了一种新的基于彩色光栅投影的三维测量方法。对选取G分量为255，R，B分量各取0或255而组成的青、白、黄、绿四色遵循格雷码原理进行编码，然后将G分量作正弦调制形成投影光栅投向被测物体。提取采集到的光栅变形图中G分量，利用傅里叶变换方法得到其初始相位；同时对采集到图像中的R，B分量作阈值迭代分割而G分量自动赋值为255,综合三分量信息得到条纹颜色信息进而获取条纹的周期信息，从而展开相位。全过程仅需投影一幅彩色光栅图就能完成三维测量，实验结果表明该算法易于实现，在测量实时性和精确性上表现良好。

利用研制的Φ300 mm口径多电极薄膜反射镜原理样机，开展了光学检测实验工作。利用高斯光学原理对薄膜反射镜的基本光学参数进行了检测，获得了随电压变化的薄膜反射镜曲率半径和最大变形值曲线，趋势与理论计算结果一致。对薄膜反射镜的面形特性和面形检测方法进行了分析，采用激光干涉仪测试了无电压时中心区域的平面面形，RMS值为1.03λ (λ=632.8nm)。为检验薄膜反射镜的曲面面形，搭建了Hartmann光栏法测试光路并结合Zernike多项式拟合处理方法，对使用非均布电压优化前后的曲面的低频面形进行了测试，面形误差RMS值从24.1μm减小为14.7μm，证明相对于单电极方案，多电极非均压对静电拉伸薄膜反射镜的面形有明显的优化作用。本文使用的检测方法和结论可为相关领域的研究提供参考。

目前反射式抛物面的检测主要是利用光的干涉法测量抛物面的光程来实现，虽然精度比较高，但却只能检测抛物面的光滑程度，而对抛物面的聚光效果无能为力。该文从基本原理出发，重申反射式抛物面的聚焦成像本质，进而指出确定其聚光精度的关键是反射面各点的面积元方向与入射光的夹角关系，而不是光程关系。同时给出了应用特大口径平行光源或特大口径平行光源组合直接对反射抛物面进行检测的方法，它可以定性地检测出抛物面宏观的聚光效果和成像质量。

随着测量技术的不断发展，现代工业对物体尺寸检测的准确性及快速性要求越来越高。文中提出了一种利用序列图像来测量物体几何尺寸的方法。使用数码相机获得标定模板的序列图像，通过直接线性变换(DLT)方法来标定相机内部参数，结合透镜成像的知识，对使用数码相机采集到的物体序列图像进行处理和测量，最终计算出物体的宽度和高度。实验证明，该方法简单实用，能够克服传统测量方式的缺点，并且快速获得较为准确的结果(误差控制在1%以内)，满足工业测量的要求。

为了降低透明或半透明光电阴极的光子在微通道板输入面上引起的散射噪声，通过对微通道板输入面蒸镀Ni-Cr电极后对反射率影响的定性分析以及镀膜方式、镀层厚度、电极深入通道内的深度和微通道板的开口面积比等测试分析，在兼顾微通道板对输入电极其他要求的前提下，获得了降低反射率的有效技术途径，即：采用电子束加热的蒸镀方式，用表面电阻大小来间接表征膜层厚度，使其控制在100 Ω左右；电极深入通道内的深度为通道直径的35%；微通道板的开口面积比尽可能大些，可把反射率降低到4%以下，以此降低微光像增强器的光子散射噪声。

微光像增强器是微光夜视仪的核心器件，它是微光夜视整机性能和价格的决定因素。微光像增强器是在微弱的光线下工作的 ,因此必然是光能放大器。亮度增益是评价微光像增强器光电性能的一个重要参数，它直接影响了微光整机的性能，因此，对像增强器的亮度增益测试技术的研究具有重要意义。文中介绍了三代微光像增强器的亮度增益测量原理和装置，并对测量结果进行了不确定度评定。

设计了一种新的便于调谐且波长间隔可调的全光纤双折射滤波器。该滤波器由一个偏振分束器(PBS)、2段保偏光纤(PMFs)和4个二分之一波片(HWPs)连接而成。计算并分析了它的理论结果，发现在合理调节环中4个二分之一波片的情况下，该滤波器除了可以获得有很好的滤波光谱输出之外，还具有波长间隔可调的作用。这种滤波器在设计可灵活改变波长间隔的多波长光纤激光器及光纤系统等方面具有巨大的应用前景。

回顾了光纤布拉格光栅非线性耦合模方程的数值求解方法，分析了基于隐式龙格-库塔方法的预报校正系统的特点。为实现简捷、高效、高阶精度的光纤布拉格光栅非线性耦合模方程的数值仿真，设计了基于连分式修正法的预报-校正系统并与基本方法进行了对比。采用该方法可以极大地加长光栅的分段长度以节约计算时间，同时也不存在仿真过程中因计算方法产生的不收敛现象，误差对比分析表明该方法能够准确地模拟光栅的非线性传输特性。为解决静态和动态情况下仿真方法不统一并避免数值计算引起的冲击响应，根据光栅中光波传输的物理过程建立了静态和动态情况下统一的数值仿真模型并研究了仿真中所采用的多种技术，利用这些技术能够有效地仿真连续波和脉冲输入情况下光纤布拉格光栅的非线性传输特性。

锥台光纤在激光束到单模光纤以及多模光纤到单模光纤的耦合中，在一些需要质量很高光束的同时有较高功率要求的场合有广泛应用。在这些应用中，锥台光纤的功率转换效率是很重要的一个参数。介绍了锥台光纤的熔拉研磨制作方法，分析了锥台光纤的传输特性。建立了高斯近似模型，采用模场耦合理论，计算了锥台光纤的功率转换效率。在以下参数条件下对细端半径分别为(4±1)μm，(5±1)μm，(6±1)μm，(7±1)μm和(8±1)μm的锥台光纤的功率转换效率进行了实验测定，激光器输出光波长532 nm；多模光纤NA＝0.11，纤芯半径a=12.5 μm；得到了与理论计算吻合的结果。

针对激光的快速智能扫描，综合利用晶体的双折射效应和电光效应，提出一种电控集成8行任意扫瞄的高速光扫描方案。主要由三级数字电光偏转器和8×1的周期性极化电光棱镜组构成，其中3个电光快门和3块双折射晶体构成三级数字偏转器，通过半波电压的控制实现行位置的转换，一定数目的周期性极化电光棱镜级联组成单行偏转器，通过控制电压进行单行扫描，根据电场施加方式可实现数字型或者连续型扫描。利用梯形结构的电光棱镜组设计了最大电压为5.822 kV时，扫描视场为17.256°的可通过联机控制进行任意行扫描的高速激光扫描器。

针对电交换路由成为全光网通信和密集波分复用等高速信息传递网的电子瓶颈的现状，开展对全光光分插复用器的理论和实验研究。介绍了基于Mach-Zehnder干涉仪和FBG结构、基于FBG和光环行器结构以及一体化光纤光栅耦合器结构的光分插复用器的工作原理，实际构建了3种结构的光分插复用器，并分别搭建测试系统进行了单波长光信号上/下行实验研究，对比了这3种光分插复用器结构的性能和优缺点，为全光光分插复用器的设计制作提供了参考。

高次非球面在光学系统应用中意义重大，但是一直以来缺乏一套快速、有效的工艺方法。利用VC6.0编制了一款面型计算软件以辅助加工，并提出了一种新的高次非球面补偿检验方法。针对一块巡天光谱仪中口径Φ244 mm的一面平面另一面为高次非球面的改正镜开展工艺方法的设计与研究，从铣磨成形开始，根据高次非球面的特点提出了几种新型磨削工艺，建立相应的数学模型。由于高次非球面的特殊性，试验了数控铣磨直接成型法，很大程度上降低后继工艺难度，在细磨和抛光阶段采用数控小工具和整工具研磨相结合，能够很好地克服面型不平滑等技术难题。总结出了一套高效率、低成本、高精度的高次非球面工艺方法。

为了研究不同物理厚度和不同波段下云的红外辐射特性，提出了基于光学厚度的云红外辐射计算方法。综合考虑云的红外辐射的各个因素，建立了较为完善的云的红外辐射模型，引入光学厚度经验计算公式，并根据光学厚度针对中波和长波红外分别计算了云的发射率、反射率和透过率，进而得到云的红外辐射亮度分布。利用该计算方法，计算了中波和长波红外云的辐射亮度数值，计算结果表明：随着光学厚度增大，云的发射率和反射率增大，探测器接收到的云红外辐射增强。比较发现，该计算结果与实测数据有较好的一致性，该计算模型可以为云背景的红外特性分析、探测及仿真提供参考数据。

为解决全向凝视红外多目标跟踪系统室内调试时无合作目标配合实验难题，提出一种红外多目标半实物仿真系统。该系统由多个可控热源组成，每个热源包括均匀加热的平板和温控装置。改变光栏大小和温度分布，模拟不同距离、不同大小的目标。热源安装在三维运动的载体上，以不同速度、方向运动可模拟不同目标的运动轨迹。对3个红外模拟目标600帧图像的采集和处理，实现了航迹重迭、交叉和分离的全过程仿真，验证了本实验平台的模拟精度。

为研究激光陀螺腔长控制反射镜结构参数对其性能影响，提出了建立腔长控制镜弹性、压电体耦合有限元模型并进行直接耦合场有限元分析的方法。通过编制ANSYS有限元软件宏文件，实现有限元模型与结构尺寸的自动同步。对某型激光陀螺腔长控制镜仿真计算表明，反射镜环槽内外径以及变形筋的厚度对其光程调节能力影响最大，并在此基础上实现了该型控制镜的优化设计。实验表明该方法对激光陀螺腔长控制镜的结构设计具有一定的指导意义。

对于2阶Duffing系统与3阶单模激光Lorenz系统，用主动控制方法设计了一种同步控制器，实现二者之间的缩阶反同步。依据罗斯-霍维兹判据，给出误差系统在原点处渐进稳定的条件。数值试验证实：在控制器作用下，2阶Duffing系统的状态变量与3阶单模激光Lorenz投影子系统的状态变量振动的幅值相同但方向相反，且在随机噪声干扰下反同步仍能很好地实现。这表明所设计的控制器对于不同阶的Duffing系统与Lorenz系统的缩阶反同步的实现是可行的、有效的，而且具有很好的鲁棒性。

在无掩模激光光刻系统中，TI(Texa instrument，德州仪器)公司基于DLP(digital light processing，数字光处理)架构的DMD(digital micromirror device，数字微镜器件)系统已经得到应用，但是存在光刻图像质量和光刻速度无法提高等瓶颈。提出采用单片FPGA控制DMD的架构，使得微镜锁定时间自由可控，在成像质量上高于DLP架构下的光刻成像质量，同时具备的同步功能和高帧频特性可大大提高光刻速度。

针对Projection迭代反演算法对噪声极其敏感，及在实际应用中造成粒度测量失真的问题，引入Vondrak数据平滑算法对Projection反演进行平滑处理。借助Visual C++6.0开发平台，编写测试软件对算法应用进行了仿真研究。通过分析比较平滑处理前后的反演结果，得出Vondrak数据平滑处理算法的引入有效提高了Projection反演的抗干扰性能。实验结果表明：基于Vondrak数据平滑处理的Projection反演结果能够反映粒度的真实分布，满足现代粉体工业粒度测量的稳定可靠、精度高、抗干扰能力强的要求。

采用原子层沉积技术(atomic layer deposition，ALD)在熔石英和BK7玻璃基底上镀制Al2O3单层膜。利用小口径损伤在线测试平台对膜层的1 064 nm激光损伤特性进行了实验测量，获得膜层损伤阈值约为10.3 J/cm2，对比了其与BK7基底损伤阈值之间的差异；利用Nomarski显微镜和原子力显微镜分析讨论了损伤形态的特点，结果表明损伤主要表现为膜层脱落和基片小孔烧蚀，其中小孔深度集中在70 nm～95 nm范围；讨论了损伤发生的诱因，得出膜基界面可能存在吸收源先驱的推断。