研究了一种计算全息编码过程中使原始像与共轭像分离的方法。通过对傅里叶变换计算全息图再现过程的分析, 采用将原物抽样点镶嵌到比原物大的全零矩阵中的方法代替载频参数的计算, 来实现原始像与共轭像的分离。对新矩阵进行离散傅里叶变换, 利用博奇编码方式制作出计算全息图, 并在图像重构时利用高通滤波器消除背景光干扰对重构视觉效果的影响。采用该方法制作的计算全息图可通过控制全零矩阵的大小来控制再现时原始像与共轭像的分离程度, 全零矩阵越大, 其分离程度越大。实验结果表明, 全零矩阵为原物大小的4倍时可使原始像与共轭像刚好分离。但是为了方便滤除零级光斑, 全零矩阵需稍大于原物大小的4倍。

为准确地划分出实际内窥图像的有效检测区域, 依据此类图像的具体特点提出一种综合区域生长和霍夫变换的分割算法。利用区域生长大致分割出感兴趣区域, 可能会存在漏检边缘或虚假边缘, 通过二值形态学处理对图像进行平滑滤波和去噪, 采用Canny算子在抑制噪声的同时进行边缘检测, 应用霍夫变换检测圆的算法确定图像内有效区域的位置。通过对90组实际内窥图像在Visual C++ 6.0上进行仿真, 实验结果表明: 有88组内窥图像能够精确地分割强光干扰且划分出有效检测区域; 仅有2组图像分割出的强光干扰及划分出的有效检测区域不够准确。

为降低背景光噪声对数字摄像法夜间能见度测量的不确定性影响, 对双光源法能见度测量系统进行改进。该系统利用避光筒限制CCD相机视场角, 拍摄2个位于不同距离的LED背光源, 然后对摄取到的图像进行处理得到光源图像的灰度值, 再根据阿拉德定律求得大气消光系数, 计算出大气能见度值。通过在无背景光、有背景光未加避光筒和加避光筒3种条件下的比对实验, 分析光源图像的灰度信息, 并将实验结果进行处理, 得出有避光筒和无避光筒时测得的能见度值与无背景光下测量结果的相关系数分别是0.911 3和0.322 7, 均方根相对偏差分别是6.87% 和23.38%。结果表明: 系统抑制背景光噪声的能力明显增强, 能较准确地测量夜间能见度。

为了增强高精度曲率半径测量仪器的抗环境干扰能力, 满足现场使用需求, 研制了一套基于光栅尺测长的激光差动共焦曲率半径测量系统。该系统利用差动共焦轴向光强响应曲线的过零点对应系统物镜聚焦焦点这一特性, 对被测样品的猫眼位置及共焦位置进行精确瞄准定位, 并借助光栅尺测长得到透镜猫眼位置与共焦位置之间的距离, 实现曲率半径的测量。实验表明, 该系统相对测量精度优于5×10-6, 满足高精度曲率半径测量的精度需求。

CCD像素数和动态范围的不足极大地限制了数字全息技术的发展与应用, 针对这一问题提出基于信息融合的双CCD镜像重叠布置方案。该方案首先给出了利用2个球面波干涉的方法来判断2个CCD的空间相对位置, 并证明了该方法的可行性。然后在实验中利用球面波与平面波进行离轴干涉并结合数字干涉技术来实时地调节2个CCD的位置, 使其相对位置初步达到镜像重叠。最后再利用计算机数字图像处理技术进行更加精确的标定, 得出2个CCD之间镜像重叠位置的标定参数。实验结果表明, 利用上述方法能够较精确地调节和标定2个CCD的相对镜像重叠位置, 其误差仅为14 μm。

针对高精密计量用标准镜头对中心偏差的严格要求, 提出一种车削加工与计算机辅助装调相结合的高精度定心装调技术。通过车削定心对各镜组光轴的倾斜误差进行初步控制, 然后结合高精度中心偏差测量仪对平移偏差进行“逐片”调校。利用计算机模拟光轴空间状态的方法, 精确定量修磨平行隔圈成一定楔角, 进一步控制各镜组间的倾斜误差。结果表明: 运用该技术定心后, 标准镜头各镜组间的倾斜偏差≤5″, 平移误差≤3 μm, 定心精度满足设计指标。

鉴于数字全息表面粗糙度测量是对被记录的数字全息图进行数值重建获得相应的相位值, 将其映射为表面轮廓值后来计算表面粗糙度参数的, 分别以标准分辨率板和高度标定板为检测样本, 对构建的数字全息测量系统进行了重建误差及重复性测试, 包括横向尺寸误差及高度误差, 横向尺寸重建误差及重复误差分别为1.11%和0.61%, 高度重建误差及重复误差分别为11%和1.8%。以宽带介质膜平面反射镜为样本, 测得其3段评定长度(包含15个取样长度)的表面粗糙度平均值分别为0.010 37 μm、0.010 33 μm和0.009 67 μm。

闪光参数准确与否对于视觉电生理检查结果有效性具有重要意义。针对视觉电生理闪光参数特点, 建立了闪光测量系统等效电路模型, 基于传递函数理论分析了闪光测量系统参数对闪光强度、时程和波形测量误差的影响, 以氙灯和LED为实验对象研究了系统参数在测量不同类型闪光时的误差。提出了减小测量误差以及消除测量闪光强度和LED闪光时程理论误差的方法并进行了实验验证。采用所述方法在不同系统参数下测量LED闪光强度结果的标准差为0.17%, LED闪光时程结果标准差为0.07%, 可认为基本不变, 实验与理论分析结果吻合。

为解决紫外成像器件光电阴极与管体封接漏气问题, 对管体InSn合金熔化过程中出现的质量问题进行了深入分析, 找出焊料熔层缺陷主要来源于对焊料除气不彻底和基底表面氧化及设备油污染。通过优化工艺参数, 改进工艺质量和把化铟设备管体搁置焊料熔化改为浇铸熔化, 使管体焊料熔化合格率达到了100%, 光电阴极与管体封接气密性成品率达到98%。

超精密单点金刚石车削加工是高精度衍射光学元件制造的重要方法, 但是以往的加工方法是直接一次车削加工成型, 无法实现具有加工-检测-补偿加工-检测的闭环控制特点的超精密加工, 从而导致零件精度较低。针对这种加工技术的缺陷, 通过研究衍射光学元件金刚石车削过程和面形状误差补偿, 对表面轮廓仪实际测量的轮廓数据进行处理, 计算出实际车削曲线与理想曲线之间的法向残余误差, 以此获得新的金刚石车削加工轨迹, 实现衍射光学元件的超精密闭环控制加工。利用单点金刚石车床对口径78的衍射光学元件进行补偿加工试验, 最终使其PV值由10.4 μm经过一次补偿加工后降为4.3 μm。

为了提高COB LED的取光率, 以1919 COB LED为研究对象, 建立阵列式圆锥透镜、半椭球透镜、四棱锥透镜和半圆球透镜封装LED模型, 并利用光学仿真软件进行研究。仿真实验结果表明: 在优化条件下, 高0.5 mm、直径0.9 mm的阵列圆锥透镜封装LED的光通量由平面封装的67 lm提高至84.3 lm, 即取光率提高25.8%。制作了RGB芯片的多芯片LED样品, 并用直径1 mm的阵列半圆球透镜进行封装, 其取光率提高18.8%。

以抛光垫抛光工艺为基础, 研究出一套完整的新型无损边缘抛光工艺, 成功实现了高精度光纤陀螺集成光学调制器LiNbO3芯片边缘的无损抛光。即在分析LiNbO3芯片边缘抛光过程中棱边损伤产生原因的基础上, 提出3条解决措施: 控制研抛浆料中的大颗粒; 选择低亚表面损伤的抛光方式; 抛光颗粒的大小接近或小于临界切削深度的2倍。加工工件棱边在1 500×显微镜下观察无可见缺陷, 芯片端面的表面粗糙度Ra≤0.8 nm, 表面平面度优于λ/2, 满足了LiNbO3芯片无损边缘抛光要求。同时, 该工艺方法具有较大的推广应用价值。

随着生命科学需求的日益迫切, 显微镜的景深拓展成为显微领域的一个重要发展方向, 为了更好地了解、研究显微景深问题, 对景深拓展技术进行研究与总结。以显微景深的大幅提升为出发点, 就光学切片扫描、空间光调制、波前编码及光场显微4个方面进行了全面的综合性论述。对这些技术的原理、方式及拓展水平进行了阐述, 并就其技术缺陷、发展方向进行了归纳总结。随着技术水平的提高, 显微景深较传统显微镜可提高1~2个数量级。

为了保证夜间及恶劣环境行车安全, 提高驾驶员对前方目标识别的准确度, 提出一种基于近红外成像技术的汽车夜视系统, 该系统采用主动式近红外探测技术的车载夜视仪。系统主要由前端红外发射单元、红外线成像单元和图像显示单元组成。现场试验夜视系统识别漏检率为1.3%。实验结果表明传统车灯所辐射的大部分红外成分对夜间照明是无用的, 可见光能效较低, 而基于红外图像处理的汽车夜视系统能够有效地保证汽车安全驾驶。

在红外探测器的应用中, 常用统计分析、算例验证等方法研究目标成像精确定位问题。鉴于上述方法难以充分阐释物理意义与揭示普遍规律, 提出基于能量分布及成像特征的分析方法, 针对红外探测目标成像精确定位问题, 利用能量分布和数字图像中成像规律, 研究像点定位及精度分析。研究了红外目标成像和数字图像特点, 建立了定位模型和方法流程; 分析了定位误差影响因素, 实现了定位结果精度评定; 最后结合典型应用实例, 进行了计算验证。该方法与已有方法相比, 分析过程更直观, 获取了红外像点定位分析的理论依据, 并给出了定位结果的精度水平: 通常红外成像应用中, 精度优于1/6像元; 在成像较大时, 精度可达1/10像元以上。该研究结论对红外探测应用中目标准确定位具有重要意义。

凝视阵列型热像仪的空间噪声制约着热像仪对远距离目标的探测、分辨、跟踪性能。为解决热像仪空间噪声实际测量问题, 分析了热像仪的空间噪声测量原理, 给出了热像仪基于信号传递函数的空间噪声测量数学模型, 介绍了热像仪某一组、某一区域或全部像素如何剔除时间域NETD, 再通过统计计算得到其空间NETD的数学模型。对制冷型MCT320×256凝视列阵热像仪的SiTF和空间NETD进行测量, 当背景黑体温度为5 ℃时, FOV区域中心信号传递函数(SiTF)为27.29 mV/℃, NETD为0.128 ℃, 20 ℃时FOV区域中心SiTF为29.03 ℃, NETD为0.121 ℃。测量结果表明: 该方法可评估空间噪声对热像仪性能的影响。

鉴于薄膜激光损伤性能评价是增强抗激光红外观察窗口性能的重要保证, 给出薄膜在脉冲激光诱导作用下的损伤表面特性及其机理。实验采用YAG脉冲激光器对TiO2薄膜样片进行1-on-1方式的激光诱导。通过CCD采集TiO2薄膜激光辐照前后2幅图像, 将这2幅图像进行匹配, 建立差异图像测度算法; 实验得出TiO2薄膜样片的差异能量测度可判别出损伤情况, 即测度值M＜0.1为未发生损伤, 0.1＜M＜0.2为轻度损伤, 0.2＜M＜0.5为中度损伤, M＞0.5为严重损伤。薄膜样片经过能量密度为0.5 J/cm2的激光辐照后粗糙度明显增大。研究结果表明, 采用激光辐照前后图像匹配的测试方法可实现薄膜激光损伤与否的判别。

泵浦耦合器是高功率光纤激光器的关键无源光器件, 其制作工艺是采用泵浦光纤和主光纤侧面熔融的方法, 该方法可以保持主光纤中信号光的低插入损耗, 但泵浦光纤和主光纤之间的夹角对耦合效率影响较大。为解决这一问题, 根据熔融侧面泵浦耦合器的结构特点, 建立了物理模型, 推导出各光纤中光功率与夹角关系的方程组, 进行了数值仿真和实验论证, 结果是随着泵浦光纤和主光纤之间夹角的减小, 耦合效率会逐渐增大, 但存在临界值, NA值小的泵浦光纤耦合效率高且临界角大, NA为0.22的泵浦光纤, 夹角小于9.7°时耦合效率最大值为96.9%, NA为0.15的泵浦光纤, 夹角小于11.5°时耦合效率最大值为97.8%。

针对设计捷联惯性导航系统时系统指标要求合理选择惯性传感器的问题, 提出一种捷联惯性导航系统误差分析方法, 建立了系统在不同工作条件下的误差模型, 给出了在设计捷联惯性导航系统时, 纯惯性导航时间小于2 min、位置误差小于100 m时选择陀螺和加速度计的方法。

鉴于压制观瞄系统光轴平行性是实现精确压制的一项指标, 其特殊性在于保证回转机械轴、可见光轴、激光光轴的平行性, 提出一种采用双光楔对压制观瞄系统光轴进行调校的方法, 通过转动双光楔, 使光轴发生偏转, 从而完成各光轴的平行。通过分析压制观瞄系统的结构, 重点介绍了双光楔调校的原理与方法, 并建立数学模型。采用Matlab对数学模型进行仿真, 基于该调校原理搭建实验装置进行试验, 试验结果表明, 采用双光楔进行光轴调校方法可使三轴调校后的平行度误差不超过0.1 mrad。

通过对激光半主动比例导引头工作原理和导引头光学系统的特点进行分析, 并结合总体设计要求, 提出设计一套波段为1.064 μm, 焦距38 mm, 瞬时视场±3°, 线性区±1°的激光半主动比例导引头光学系统。用Zernike多项式模拟一个带有较大垂轴球差的波前, 叠加在入射波面上, 然后对系统进行优化, 通过调整加入垂轴球差的大小来控制成像光斑的大小及光斑的均匀性, 确定光斑直径为1.5 mm。

为了突破传统电子稳像和机械稳像技术在处理速度、精度等方面的局限性, 提出基于光学相关器的稳像技术, 旨在实现对高速视频的实时高精度光学稳像。系统使用光学联合相关变换的方法, 提取视频前后两帧变换后的相关峰, 给出两帧的位移差值, 通过改进后的补偿算法进行实时稳像。基于光学相关器的光学稳像器能够实现平移和旋转稳像, 通过仿真和实验分析, 平移稳像的精度可以达到±0.1个像元(改进补偿算法后可达±0.04个像元), 旋转稳像的精度可达0.1°。

星模拟器作为星敏感器的地面标定系统, 用来模拟星点像的大小、星等、光谱、色温、星的位置及星之间的角距等。随着航天技术的不断发展, 对星模拟器本身的要求也越来越高, 进而使星模拟器重要部件准直光学系统的设计成为关键因素。利用离轴反射式光学系统无色差、体积小、光利用率高、中心无遮拦等特点, 提出一种离轴抛物面式准直光学系统。该系统由离轴主抛物面反射镜和次平面反射镜组成, 实现了通光口径为Φ300 mm, 焦距为3 000 mm, 视场角为30′的准直光学系统设计, 经像质分析表明, 在视场角内畸变为0.006 2%(小于0.01%), MTF达到衍射极限, 波相差为0.071 6 λ, 所设计的光学系统能满足要求, 并论述了准直光学系统的装校过程。

针对机载小型化、轻量化的环境要求, 将红外和电视传感器进行共次镜形式的共光路设计。对于640×480非制冷焦平面探测器, 设计了焦距185 mm、 F数达到1.3、视场为5.8°的长波红外光学系统。对于1/3″ CCD(像面尺寸4.8 mm× 3.6 mm; 像素数759×596), 设计了焦距86 mm、F数达到4.5、视场为4°的可见(电视)光学系统。

针对瞬态高温的测量难题, 采用辐射式测温技术和接触式测温技术有机结合的方法, 设计了由黑体辐射温度敏感体、圆柱状高强度金属外壳以及壳内信号调理电路构成的瞬态高温测量装置。通过对感温薄膜特殊材料的恰当选取以及整体结构的合理设计, 并利用ANSYS软件对其黑体感温薄膜进行了瞬态高温热传导分析。分析表明, 施加的温度载荷为2 000 ℃、2 500 ℃、3 000 ℃时, 此温度传感器响应时间分别为487.001 μs、545.001 μs、590.001 μs, 能够克服传统瞬态温度传感器体积大、响应慢、安装不方便以及易受恶劣环境因素影响等不足, 在测温技术领域具有良好的应用价值。

为了展示LED在航空领域的应用优势和前景, 介绍了LED光源应用于飞机航行灯时, 具有体积小、质量轻以及便于设计和维护等优点, 阐述了LED用于飞机航行灯时的高安全性、高可靠性和高光学质量的要求。通过分析航行灯的光学分布要求, 针对选取的LED设计了由TIR系统和棱镜系统组成的光学透镜, 飞机航行灯光学模拟的结果显示, 在光源功率不超过1 W的情况下, 中心光强已经高于40 cd。

自动校炮技术对于实现坦克火炮校炮过程的自动化、智能化和提升射击精度具有重要意义, 提出一种基于PSD(位置灵敏探测器)的光电自动校炮装置, 该装置以PSD为光电探测器件, 采用光电转换和信号处理技术, 实时自动获取坦克炮口弯曲变形量并给出火炮射击的修正量, 实现误差修正和车内自动校炮。该装置在不同初始位置和不同射角下, 可达到0.1 mil(mil, 炮兵测距用的角度单位, 1 mil=0.06°≈0.001 rad)的修正精度。

利用Zemax软件为线形离子阱囚禁199Hg+实验设计了一套光学系统, 该系统包括两部分, 即光学激发系统和荧光收集系统。光学激发系统由202Hg无极谱灯和激发透镜组组成。激发透镜组将202Hg无极谱灯的直径为15 mm的圆形面光源整形成23 mm×4 mm的矩形光去激发199Hg+能级跃迁, 从而使其辐射出荧光, 再利用荧光收集系统去收集该荧光。荧光收集系统由收集透镜组、滤波片和光电倍增管组成。设计结果表明: 该收集透镜组可以很好地将荧光发光面成像在直径为23 mm的光电倍增管上, 具有较高的荧光收集效率, 约3%。经物理系统实验, 结果表明, 该光学系统满足实验要求且具有较高的信噪比, 其值约为20。这为高性能线形199Hg+微波频标的工程应用提供了基础。

针对国内光电直读型钢铁检测微型光谱仪研究的不足, 提出基于Czerny-Turner结构的系统设计方法, 讨论了优化方法及验证方法, 并加工出了光谱仪。光谱仪采用三次多项式拟合标定波长, 实测分辨率在436 nm~608 nm全谱段达0.225 nm、中心谱段达0.135 nm, 基本满足钢铁检测要求。提出一种基于多帧判断的定性分析方法, 7种待测元素检出限优于1.5%, 通过建立拟合光谱数据库实现半定量分析, 25种样品检测精度达2%, 为钢铁牌号识别提供重要参考。

为了提高聚合物/液晶(HPDLC)光栅的衍射效率并改善光栅的表面形貌, 研究了表面垂直取向处理对HPDLC光栅的影响。首先, 研究了表面垂直处理对液晶分子的取向作用, 发现垂直取向层对液晶的锚定作用随着盒厚的增加而逐渐减弱, 取向层的作用范围大概在3 μm ~5 μm之间; 其次, 对相分离程度进行了实验表征, 结果表明, 随着液晶盒厚度的增加, 相分离开始的时间越来越快, 并且分离程度也越来越彻底。最后, 讨论了表面垂直取向对HPDLC光栅衍射效率的影响, 随着盒厚的增加, 相分离出来的液晶微滴形成连续的区域, 光栅的衍射效率逐渐升高, 当盒厚增加到一定程度, 其衍射效率和无取向处理的光栅接近。当盒厚过大时, 垂直取向处理对HPDLC光栅散射损失并没有太大的改善, 只有当盒厚适中(12 μm)时, 光栅的衍射效率最高, 散射损失最小。

针对边界跟踪算法中在角点附近丢失边界信息的问题, 对待检测边界中角点的判别和检测方法进行了研究。分析了边界搜索中所扩展的邻域的半径和角点位置的关系, 提出了角点存在判据, 给出了角点存在区间。提出了寻区间法角点检测算法, 用5个已知边界点之间的关系, 判断出角点存在的邻域, 通过选取合适的邻域半径, 使角点存在区间向角点收敛。对测试图像和人侧面轮廓图像的边界利用所提出的算法进行跟踪, 测试图像的边界点从19个增长为37个, 人侧面轮廓图像边界点从13个增长为21个, 新算法准确地检测到轮廓角点和后续种子点, 使边界跟踪能够反映所有的边界信息。

基于层析法和Gerchberg-Saxton迭代算法, 计算得到了多个平面构成的三维物体的计算全息图, 并将该计算全息图加载于空间光调制器上, 获得了具备全视差的三维立体显示。基于以上方法, 对灰度图像进行显示, 获得了较高的像质。构建了由100个平面组成的立方体, 获得了立方体的三维图像。另外, 在计算全息图时附加了相位平移函数, 消除了由空间光调制器的栅格结构引起的多重衍射像噪声, 将能量利用效率提高到原来的379%。这样, 可获得高衍射效率、高像质且具备全视差的三维全息显示。