设计了一套焦距f′=10 mm~500 mm的高变倍比变焦光学系统。以正组机械补偿原理为基础, 通过高斯光学计算, 给出合理的初始结构和高斯解。系统引入2个新型非球面, 使系统具有更大的自由度, 并有效校正光学系统中的像差, 减小系统复杂度, 对实现高变倍比变焦系统尤为有利。采用一组双层谐衍射元件来校正长焦所带来的二级光谱, 减少了透镜片数, 使系统更加紧凑。分析了10 mm~500 mm焦距情况下系统的调制传递函数曲线, 计算出变倍组和补偿组的变化曲线, 可以看出满足机械补偿凸轮曲线的变化规律, 而且曲线的变化比较平滑, 能够实现平稳变焦。在奈奎斯特频率为50 lp/mm时, 调制传递函数曲线均在0.6以上。

目前光子相关器在处理速度和动态范围上还不能满足光子相关光谱技术的需求, 为解决此问题, 对比分析了比例相关器和多采样时间相关器的结构, 并结合两者的优点提出利用多采样时间相关结构来设计相关器的高速通道, 利用比例相关结构来设计相关器的低速通道, 并将高速通道和低速通道相结合, 实现大动态范围高速光子相关器的设计。实验结果表明: 大动态范围高速光子相关器的采样时间下限可以达到10 ns, 动态范围达到1.1×1012, 采用改进归一化方法时, 基线误差为0.095 %, 相关函数具有足够的精度。

为了满足未来高精度光电稳瞄系统μrad级稳定精度的测试需求, 提出一种基于干涉仪测量的稳定精度测试方法。基于泰曼格林干涉仪中同源两光束光程差对干涉条纹的影响, 利用CCD观察干涉条纹的微小变化, 实现稳定精度测试。采用该测试方法对快速转向镜(fast steering mirror, FSM)的指向精度和某型光电稳瞄产品稳定精度进行了测试研究, 结果表明, 该方法对稳定精度的测量精度可以达到0.2 μrad。

为了保持数字高清监控摄像机在大倍率电动变焦过程中的图像清晰度水平, 提出一种新的电动变焦跟踪方法。该方法根据事先采集的若干条变焦曲线, 利用几何法构造置信区间。以置信区间为变焦跟踪曲线的中心位置并且自适应地调整置信区间的位置, 从而动态地修正变焦跟踪曲线。在18×数字高清摄像机中实现了该方法, 实验结果显示: 变焦过程中对焦电机的调节位置相对于最佳位置的平均偏离水平不大于0.018 75 mm; 变焦全程时间平均为4.1 s。

基于Ritchey-Chretien (R-C)光学系统, 采用Zemax软件设计次镜为类曼金反射镜的折反射式光学系统。系统的焦距为3 000 mm, 视场角为1°, 相对孔径为1/8, 工作谱段为450 nm~900 nm。结果表明, 截止频率为50 lp/mm处的MTF值为0.55, 接近衍射极限, 畸变小于0.022%。类曼金镜的非球面反射面与主镜构成R-C光学系统, 消除了系统的球差和彗差, 折射面分担次镜的光焦度, 减小了非球面的非球面偏心率。类曼金反射镜的加入, 将次镜非球面偏心率的平方由4.356减小到1.940, 而且系统总长度由600 mm减小到550 mm。

为使瑞奇-康芒法检测结果更为真实地反映出被检平面镜的面形情况, 对瑞奇-康芒检测数据处理方法进行研究。针对现有的数据模型, 提出利用坐标转换关系法计算平面镜的面形误差。利用仿真验证坐标转换法的有效性并分析此方法的理论计算精度。通过对比实验结果与干涉仪直接检测结果可知, 坐标转换法的实际PV检测精度优于1/20 λ, RMS检测精度优于1/100 λ, 达到高精度检测要求。相比影响矩阵法结果, PV精度提高了0.013 λ, RMS精度提高了0.003 7 λ, 证明坐标转换法更适用于瑞奇-康芒法数据处理分析。

为提高光栅光谱仪的波长扫描精度, 设计了一套可对光栅转动情况进行实时反馈的系统结构, 实现了仪器在高速和高精度扫描上的统一。在对反馈结构进行设计时, 应用光栅尺测位移技术对正弦丝杆上的滑块进行位移反馈, 由计算机对其进行接收和处理。对比实验显示, 仪器本身波长扫描精度为 0.7 nm, 加入反馈电路进行反馈后波长扫描精度可达 0.15 nm。结果表明, 加入对光栅转动情况的反馈结构后, 可使光栅光谱仪满足高精度扫描要求。

为了完成全谱段成像光谱仪的地面辐射标定, 设计了一种大口径离轴反射式太阳模拟系统, 用于在实验室环境下模拟空间环境中的太阳辐射。阐述了太阳模拟系统的光学系统参数的计算过程, 并运用Lighttools软件完成了光学系统的建模和仿真, 根据光学系统的布局和系统的热负荷分布, 给出了风冷系统的设计方案, 并运用ICEPAK软件完成了散热系统的仿真验证。测试了太阳模拟系统的各项参数, 结果表明: 在满足系统散热要求的情况下, 最大辐照度达到1.17个太阳常数, 辐照不均匀度在辐照面Φ200 mm范围内为±1.61%, 在辐照面Φ400 mm范围内为±3.28%。

为了提高长焦距变焦镜头的温度稳定性, 分析了温度对光学系统的影响。在CODE V里对长焦距变焦镜头光学系统进行温度仿真分析, 发现温度对光学系统的像质影响很大。采用无热化技术成熟的主动调焦式补偿方式对光学系统的温度效应进行补偿, 发现采取补偿后像质有很大改善, 但在相机的最大空间频率处的MTF还是较低, 且变焦系统各焦距时的最佳像面并不能齐焦。采用机械被动式补偿和主动调焦式补偿混合的方式进行温度补偿, 使得变焦系统在要求的全温度范围内有良好的像质, 短焦时MTF大于0.5, 长焦时的MTF大于0.25, 并且焦距也得到补偿, 各焦距时的最佳像面齐焦并与CCD的像面位置重合。

针对辐射增益是紫外像增强器的主要性能参数, 决定着紫外像增强器的综合性能, 提出一种用于测试紫外像增强器辐射增益的测试仪, 测试波长范围为200 nm~400 nm, 亮度测量视场角可选(1/8)°、(1/4)°、(1/2)°、1°、2°、3°。通过改变微通道板电压、阴极电压和荧光屏电压等参数, 完成对紫外像增强器的辐射增益测试,测试结果表明: 测试曲线变化趋势和紫外像增强器的工作特性相吻合, 入射紫外辐射强度调节范围为10-11W/cm2～10-7W/cm2, 辐射计最低探测强度可达10-11W/cm2, 最低亮度探测阈值可达3×10-4cd/m2, 辐射增益测试重复性优于±8%。

研究降维、去冗后光谱数据色彩显示问题。传统的光谱数据色彩显示时, 常采用截取或压缩至0~1范围进行映射, 容易丢失图像细节, 提出一种基于多区间平移映射评价优选方法的光谱数据色彩融合显示算法。首先对光谱数据立方体进行主成份变换, 将前三成分分别赋值给对色空间的黑白通道、红绿通道和黄蓝通道, 然后经过空间变换到sRGB空间, 将数据分段平移到0~1范围, 映射至8位RGB空间, 并对每次平移映射图像进行标准差、熵、平均梯度的单项评价, 全部平移结束后, 对所有的评价值进行综合评价, 选取综合评价值最高的区间输出映射。实验结果表明, 融合图像能最大限度地保证图像的能量、信息和清晰度, 有利于人眼的快速识别判断。

以提升遥感图像和多聚焦图像的融合精度为目的, 结合非下采样剪切波变换(NSST)可以捕捉图像的细节特征, 提出了一种NSST和加权区域特性的图像融合方法。利用非下采样剪切波变换对源图像进行多尺度、多方向分解, 得到低频子带和高频子带, 低频子带系数采用改进梯度投影的非负矩阵分解(NMF), 高频子带系数采用加权区域能量和区域方差相结合的融合策略, 然后应用非下采样剪切波的逆变换得到融合的图像。实验结果表明: 该方法从主观视觉方面很好地保留了多幅图像的有用信息, 给出该方法与其他融合算法在客观评价指标应用信息熵EN、互信息MI和加权边缘信息量QAB/F的比较结果 。

为了从聚焦超声声场纹影图像直接重建声场声压分布图像, 首先根据水中声波与光波的作用规律, 利用Zernike相衬技术得到纹影系统中空间声压分布与纹影图像中光强的关系, 再通过纹影系统获得聚焦超声声场实时图像, 最后根据纹影系统的物理特性经过反投影重建算法重建出凹球壳聚焦超声换能器的空间声压分布。分析可知, 理论声焦域横向与声轴大小分别为0.15 mm、1.4 mm, 重建声场电功率为12 W时横向最接近为0.25 mm,30 W时声轴最接近为1.35 mm。与球壳换能器的理论声压分布进行对比的结果表明, 该方法具有一定可行性, 可以用于聚焦超声换能器的声场分布检测。

针对现有模糊方向鉴别算法检测小尺度运动模糊图像存在误差的问题, 基于运动模糊图像二次傅里叶变换后的频谱特性, 分析了其误差成因, 并提出了一种适用于小尺度运动模糊图像模糊方向鉴别的新算法。首先对小尺度运动模糊图像的频谱进行细化, 通过中值滤波对细化图像“去噪”, 避开了频谱“噪声”带来的估计误差问题; 其次, 选取灰度中值作为阈值进行二值化, 同时去除二值图像的中心十字亮线和中心亮斑, 使模糊方向特征更加明显; 然后用投影变换计算出亮条纹方向得到小尺度模糊图像的方向估计。最后通过仿真验证了算法在运动模糊尺度为3～10像素的小尺度情况下的实效性。实验结果表明, 该算法相比其他同类算法对于小尺度运动模糊图像的模糊方向估计精度更高。

为解决单一特征目标跟踪鲁棒性较差的问题, 提出一种基于颜色和空间信息的多特征融合目标跟踪算法。采用一种自适应划分颜色区间的方法提取目标颜色特征, 利用空间直方图提取目标颜色的空间分布信息。在粒子滤波框架下将自适应颜色直方图和空间直方图相结合, 在特征融合中引入特征不确定性度量方法, 自适应调整不同特征对跟踪结果的贡献, 提高算法的鲁棒性。仿真实验结果表明, 该跟踪算法平均位置最小误差值仅6.967 像素, 而单一特征跟踪算法以及传统融合算法的跟踪误差达192.576 像素和199.464像素。说明本文算法在跟踪准确性上优于单一特征跟踪算法及传统融合算法, 具有更好的跟踪精度和更高的鲁棒性。

数字散斑相关方法有着测量环境简单、全场非接触等优点, 但算法效率一直是限制其发展的瓶颈之一。GPU有着天然的并行性, GPU高性能运算可以为计算机图形处理带来极大的效率提升。利用CUDA平台编程对传统的数字散斑逐点搜索算法、十字搜索算法及遗传算法进行GPU高性能并行处理, 并与传统方法比较分析。实验结果表明, 对于尺寸为150×150像素的散斑图像, 3种方法效率分别提升了20倍、8倍、31倍; 对于尺寸为500×500像素的散斑图像, 3种方法效率分别提升了183倍、33倍、44倍; 对于尺寸为1 000×1 000像素的散斑图像,3种方法效率分别提升了424倍、116倍、44倍。

为改善传统哈特曼-夏克波前传感器对待测波前采样不足的缺点, 对哈特曼-夏克波前传感器和微扫描进行了分析, 提出一种提高哈特曼-夏克波前传感器采样率的透镜式微扫描方法。通过在微透镜阵列之前加入由PZT驱动的透镜扫描装置, 对CCD采集的光斑分布情况进行高分辨率微扫描图像重建, 通过对重建后的光斑分布进行波前重构, 提高了哈特曼波前传感器对待测波前的采样率。通过对比实验验证, 波前复原精度提高了41%, 可以有效提高哈特曼传感器对波前探测的精度。

传统的光栅投影法依靠相移法进行测量, 对绝对相位的计算需要应用解包裹算法完成。由于解包裹算法要求空间相位具有连续性, 因此不适合高度变化显著的物体的测量。针对该问题, 提出一种多尺度条纹投影测量的方法, 直接获取高密度条纹投影的绝对相位。通过对高密度64周期条纹扫描投影测量相位的二次拟合曲线的实验处理, 在绝对相位 [-201,201]的变化范围内, 拟合标准差达到0.096 63 rad的精度。

为了准确诊测轴系振动特性, 基于激光多普勒的频移原理, 提出一种能同时测量旋转轴系弯曲振动、扭转振动和轴系旋转速度的方法。设计了能分离弯扭振动的多普勒外差干涉光路, 结合光学差拍及参考光技术, 构建了测量系统数学模型。对影响激光多普勒弯扭振动测量的主要因素进行了分析, 讨论了各参量对测量结果的影响, 并给出了相应的测量不确定度。在置信水平为95%时, 瞬时转速的不确定为0.079 r/min,弯曲振动速度分量的不确定为0.001 4 mm/s, 其精度能满足旋转状态下轴系振动的综合测量要求。

针对光笔式双目视觉测量系统的标定问题, 讨论了关于相机内参、双相机外参以及测量笔的相关标定理论,开发了一整套基于LabVIEW的标定系统。运用张氏平面标定法实现了相机内参标定。结合基于标准长度的外部参数标定方法, 实现了双相机外参数标定。运用粒子群算法和LM算法相结合, 加快了目标函数高维寻优速度。在测量笔标定环节, 提出了一种基于最小二乘法的现场校准方法。标定系统完成了后期开展相关测量前的所有准备工作, 具有较高的精度和实用性。在测量系统标定结果基础上对直径25 mm标准陶瓷球进行测量, 测量结果标准差达到0.019 mm。

为解决高精度检测非球面反射镜的难题, 提出利用Zygo干涉仪完成非球面环形子孔径检测。通过移动待测非球面, 使得由干涉仪产生的参考球面波, 以不同的曲率半径匹配待测非球面的各个环带区域, 分别测试每个环带, 进而完成对整个非球面的拼接检测。以双曲面反射镜为例进行拼接检测, 并搭建辅助光路, 利用无像差点法对拼接结果进行验证。验证结果表明: 该方法测量误差小于1/20 λ(λ=632.8 nm)。

为了研究离子束刻蚀抛光过程中离子源工艺参数对刻蚀速率及表面粗糙度的影响, 采用微波离子源为刻蚀离子源, 以BCB胶为主要研究对象, 研究了离子束能量、离子束电流、氩气流量、氧气流量对BCB胶刻蚀速率及表面粗糙度的影响, 获得了离子源工艺参数与刻蚀速率及表面粗糙度演变的关系。研究结果表明, 离子束能量在从400 eV增大到800 eV的过程中, 刻蚀速率不断增大, 从3.2 nm/min增大到16.6 nm/min; 离子束流密度在从15 mA增大到35 mA的过程中, 刻蚀速率不断增大, 从1.1 nm/min增大到2.2 nm/min; 工作气体中氧气流量从2 mL/min增大到10 mL/min的过程中, 刻蚀速率会整体增大, 在8 mL/min处略有下降。表面粗糙度变化不大, 可以控制在1.8 nm以下。

为了使研究者能更详细地了解类金刚石(DLC)薄膜的研究现状, 综述了类金刚石薄膜的特性及应用, 分析对比了目前常用的一些类金刚石薄膜的制备方法, 包括物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD), 并对类金刚石薄膜的抗强激光损伤特性以及提高其激光损伤阈值的方法进行了论述。结果发现, 利用PVD法制备的DLC膜的硬度可以达到40 GPa~80 GPa, 且薄膜的残余应力可以达到0.9 GPa~2.2 GPa之间, 而CVD法则由于反应气体的充入导致类DLC薄膜的沉积速率大大降低, 故使用率不高。同时, 优化膜系的电场强度设计, 采用合理的制备工艺, 进行激光辐照后处理, 施加外界电场干预均可有效地提高DLC薄膜的抗激光损伤能力, 且目前的DLC薄膜的激光损伤阈值可达到2.4 J/cm2。

将二维金属光栅结构引入到探测器结构中,以提高太赫兹(THz)量子阱光电探测器的探测率。采用三维时域有限差分算法, 建立了THz量子阱光电探测器的二维金属光栅仿真模型, 详细分析了二维金属光栅参数对太赫兹量子阱光电探测器的电场强度的影响。仿真分析结果表明: 当入射光频率为6.27 THz(相对应波长为47.847 μm)、光栅周期P=10.5 μm、占空比=0.55(金属块宽度w= 5.755 μm)、光栅层厚度h=0.4 μm时, 器件中的Z方向上的电场值最大, 光栅的耦合效率最高。

进行了风电叶片双轴静载试验, 全程采用数字图像相关技术监测其全场三维变形。结果表明, 在各工况荷载作用下, 风电叶片的三维位移分布具有良好规律, 而应变分布则无明显规律。3个方向位移中, 平面外位移远大于平面内位移。双轴荷载作用下, 风电叶片挥舞方向位移与摆振方向位移均随加载等级增大而增大。在风电叶片全场范围内, 挥舞方向位移沿叶片展向逐渐增大, 直至叶尖达到最大值。叶片各点的摆振方向位移均为负位移, 负位移最大值出现在叶片中部。在叶根至41%叶长(55 cm)区域内, 叶片各工况下的展向位移几乎接近于0; 而在41%叶长至叶尖区域, 当荷载较小时, 叶片迎风面纤维的受拉伸长量大于平面外弯曲的展向位移分量而产生正位移; 随着荷载增大, 叶片平面外弯曲变形的展向位移分量大于迎风面纤维的受拉伸长量而产生负位移。

基于配焦椭流面的光学自由曲面设计具有几何意义明确、设计灵活和优化思路清楚等优点, 但也存在表面不光滑的弊端。为了将每个椭流面片尽可能地光滑拼接, 从边缘一点为起始位置开始构建自由反射面, 先在θ方向构建光滑的椭流面, 然后通过调整能量分配的方法, 减小曲面在φ方向的不连续性。通过仿真验证, 此方法可在2 min内完成对40 000个椭球面片的计算处理, 构建的曲面保证能量在目标面上均匀分配的同时在连续光滑性上也有很大提高。