近年来, 基于超表面材料的研究发现了很多新的光学现象, 其中几何相位调制是最具吸引力的方向之一。笔者介绍了超表面材料用于光波相位精密操控方面的研究, 包括电磁响应的各向异性、电磁共振等机理研究、以及一系列新概念光器件。研究表明, 基于金纳米棒超表面材料制造的计算全息片, 能够在波长为630 nm~1 050 nm的宽带范围内高效工作, 且在波长825 nm处的衍射效率超过80%; 基于硅材料超表面材料制造的光分束器, 能够在远场形成衍射角为59°×59°的4×4个均匀点阵, 且其衍射效率在波长为1 530 nm~1 565 nm的范围内超过50%; 基于硅材料超表面材料制造的偏振分离器, 其在纳米棒长轴方向的反射率高达98.5%, 在短轴方向透过率达到94.7%, 且仅需通过调节纳米棒的宽度, 就可以在波长为1 460 nm~1 625 nm的宽带范围内任意选择峰值反射波长。研究结果表明, 基于几何相位调制机理的超表面材料在具备连续、任意、精密、高效的相位操控等优点的同时, 在制造上却仅需要简单的二台阶微纳光学工艺条件, 可用于打造新一代高性能、芯片级的光电子元器件, 在光纤通信、****、工业及消费电子等领域得到重要应用。

超精密车削技术适于加工KDP(磷酸二氢钾)等频率转换类型的强光光学零件, 但车削表面存在明显的加工纹理, 导致抗激光损伤阈值降低。以加工表面误差幅值及其频谱分布为对象, 分析了KDP光学零件超精密车削的加工特征和误差形态, 采用功率谱密度(PSD)评价方法研究了工艺参数与误差频谱的内在关系, 结果表明: 不同进给速度及主轴转速将使螺旋形刀痕的间距发生变化, 进而影响KDP表面误差的频率成分; 切削深度虽然对误差频谱影响很小, 但会改变PSD的幅值; 当主轴转速高于500 r/min、进给速度小于2 mm/min、切削深度小于2 μm时能够加工出rms值优于20 nm的KDP面形。在此基础上, 以典型KDP光学零件加工为例, 通过超精密补偿车削方法将低频误差的PSD控制在300 nm2·mm以内, 中高频误差的PSD控制到国家点火装置(NIF)标准线以下, 满足强光系统的工作要求。

基于激光受激辐射损耗原理的远场光学超分辨成像技术, 当圆形入射高斯激光经过涡旋相位板调制后, 将转变为中心光强为零的圆环形光束, 该形状的激光束与光敏聚合物作用, 能够制备出具有一定功能的纳米结构。介绍了自主搭建的基于圆环连续激光光源的激光直写系统, 以及利用该系统研制的复合纳米结构。当光源为532 nm连续激光输出时, 与正性光刻胶作用, 得到直径<50 nm的纳米柱复合结构, 以及整齐均匀的纳米柱阵列结构; 与负性光刻胶作用, 得到直径<100 nm的纳米通道, 以及整齐均匀的中央有纳米通道的微米柱复合结构阵列。当光源为405 nm连续光纤激光时, 与正性光刻胶作用, 也得到了直径小至153 nm的纳米柱复合结构及其阵列。这些纳米结构的基本单元尺寸都突破了光学“阿贝衍射极限”的限制, 具有实用潜力。

为了提高无人机侦察识别能力, 提出基于小波变换方法的无人机载光电与SAR的图像融合技术。经时间配准算法生成图像配准源, 采用SIFT算法提取图像特征点, BBF算法计算生成匹配点集, 依据匹配点集计算图像间透视变换模型完成图像配准, 利用小波变换算法实现配准图像融合。经实验验证以及利用Matlab分析图像灰度直方图和计算信息量, 结果表明: 融合图像保留了光电图像95.7%的细节(熵), 相比于光电图像平均梯度提高了1.52倍, 增强了光电图像目标区对比度, 降低了随机性噪点; 融合图像相比于SAR图像信息量提高了1.44倍。

设计了在相同光学引擎、相同屏幕位置下, 能满足不同屏幕尺寸需要的变焦投影物镜。该变焦投影物镜的焦距变化范围为22 mm~37 mm, 视场角为46°~75°, F数为2.8。考虑设计的光学系统要求相对孔径较大, 具有大视场角和小变焦倍比, 根据变焦理论, 采用正组补偿的机械补偿法, 并对变倍组、补偿组进行合理的倍率选段, 求出高斯解; 然后对各组元分别选用合理的初始结构, 利用Zemax光学设计软件进行优化设计, 适当添加非球面。采用二、四组元运动的机械补偿法解决了大视场变焦系统畸变难以控制的问题, 并利用调制传递函数综合评价了整个光学系统。设计结果表明: 该变焦投影物镜系统的光学结构和成像质量均符合设计指标要求, 在空间频率64 Lp·mm-1处调制传递函数(MTF)值均大于0.3, 畸变小于1%。

为了提高基于二维振镜光轴平行性检测方法的检测精度, 简化测量操作步骤, 设计了一种基于二维振镜扫描系统的多光谱集成靶标。通过多光谱集成靶板与LED照明光源结合, 解决一靶专用中需要频繁更换、反复调校靶板及光源的问题。利用二维振镜进行十字分划中心对准, 提高CCD检测方法的测量精度; 采用像差优化的卡塞格林准直系统, 改善十字分划成像质量。通过光轴平行性检测实验, 多光谱集成靶标校准精度达到了0.10 mard, 该精度满足多光谱光电系统光轴平行性高精度和自动化检测的要求。

为了增强目标跟踪算法在被跟踪目标发生运动位移、遮挡、形变、相似物体干扰等情况下的鲁棒性, 提出利用超像素构建目标外观模型, 将外观模型与候选区域进行匹配, 获取候选区域当中目标超像素, 并用Meanshift算法确定目标中心点的跟踪算法。仿真实验选取Benchmark库当中在运动位移、遮挡、形变、相似物体干扰方面具有代表性的视频Girl和FaceOcc1。该算法在视频Girl中的跟踪成功率和跟踪精度为0.601、0.856, 比对比实验的经典算法当中跟踪效果最好的KCF算法的成功率和精度分别高0.059和0.084; 在视频FaceOcc1中跟踪成功率和精度仅次于KCF。表明该跟踪算法在受到相似物体干扰和目标遮挡时具有良好的鲁棒性。

针对目前机场跑道临时关闭助航设施的欠缺以及相关标准不统一, 导致难以向飞行员在恶劣目视条件下和安全距离内提供醒目、有效的跑道关闭信息, 给机场安全运行造成隐患等问题, 提出建立基于人眼视觉特性的机场跑道临时关闭警示灯光模型, 并采用逐点法对警示灯灯具光强进行了设计与分析, 最后对警示灯进行警示这一过程进行了仿真。仿真结果表明, 在2 km处飞行员可分辨出警示灯X形, 使飞行员能够清晰、准确、快速地辨别出跑道关闭, 对飞行员起到了警示作用, 为警示灯的研制提供了理论依据。

发射光学系统对近地层紫外通信系统的性能提高具有重要作用, 为此设计一种适用于近地层紫外通信的发射光学系统。通过分析、比较, 该系统采用卡塞格林结构形式, 主镜为抛物面, 次镜为双曲面, 在中紫外265 nm～270 nm、环境温度-60℃～60℃下工作。经过优化设计, 结果为: 系统焦距450 mm, 系统总长200 mm, 发射角2°, MTF值大于0.31, 工作温度稳定性良好。

传统的成像方式单次曝光只能获取物空间二维横向分辨率信息, 无法获取纵向深度信息, 导致单次拍摄过程中物空间的深度信息丢失,无法对物空间的目标物进行三维重构。光场相机内部采用光场传感器, 不同于传统成像系统单次采集只能获取二维信息而造成的信息缺失, 光场传感器可获取物空间的多维光场信息, 同时其还具有便携等优点。采用光场相机进行拍摄, 利用数字重聚焦以及散焦测距和相关计算的方法, 实现密集深度图像的获取, 基于matlab软件平台, 对所获取的图像深度数据矩阵进行处理, 最终实现物空间的三维重构。得到物空间的相对深度的归一化结果。本实验中, 在深度范围为100 mm~1 500 mm范围内, 实现平均误差为5.47%深度信息的表面三维重构, 最大重构误差为8.30%。

为满足高分辨率真三维大数据显示的空间带宽积要求, 提出一种基于多通道角度复用模式的体全息三维显示技术。通过对三维场景进行波前编码, 获得相位计算全息图, 并将计算全息图依次按照不同角度复用记录到掺杂金纳米颗粒体全息光致聚合物材料的同一区域, 获得复用体全息图, 再现时可以在不同角度观察三维场景。在体全息三维显示实验系统中, 实现体全息材料记录区域的单点像素总数为120×1 920×1 080, 显示的空间带宽积达到了2.5×108, 相对于空间光调制器显示提升了120倍。

散斑噪声是激光干涉时的普遍现象, 其覆盖被测表面对应区域的形状信息, 造成测量误差。针对斜入式激光干涉测量中散斑噪声的特点, 提出一种基于物体像的散斑噪声的识别方法。该方法通过统计物体像中有效测量区域和背景区域内灰度分布的特点, 自动计算出判定散斑噪声的上下阈值。基于物体像与干涉条纹图像间微米级的映射关系, 得到干涉条纹图像中散斑噪声的位置。设计了相关实验, 对干涉条纹图像中识别出的散斑噪声区域进行修补, 消除了包裹相位图中一个条纹周期内相邻像素点间大于π的相位突变。

为实现对车削零件表面粗糙度检测, 提出一种基于机器视觉表面粗糙度检测图像处理的新方法。该方法先按相应算法对所采集图像剔出受光衍射影响严重区域, 然后再按其灰度分布情况进行区域优化, 获得的图像灰度特征参数能反映表面粗糙度量值的有效特征区域。用该方法对表面粗糙度Ra标称值为0.8 μm～12.5 μm的五种车削样件测试, 处理后图像灰度的均值、方差、能量和熵等特征参数与Ra标称值单调关系显著, 各特征曲线的非线性误差均在1.5%以内。对比实验显示, 这种特征提取和区域优化方法可应用于表面粗糙度的区分与检测。

非线性波导是一种重要的光量子器件。采用马卡梯里近似, 可以近似描述波导的模场分布特征。针对ee-e准相位匹配的周期极化铌酸锂波导, 分析波长为1 064 nm的基波和 532 nm的 二次谐波的基模模场分布。结果表明: 如果波导为嵌入型正方形波导, 基波和二次谐波的光斑基本为圆形, 基波场分布范围较大; 在截面正方形边长为5 μm并且芯区比包层折射率略高002时, 波导就能将两种光波场基本约束在芯区中, 但是这种波导边长为05 μm时约束能力就变得很差; 如果采用芯区与包层折射率差别较大的波导, 芯区边长为05 μm就可以将两种场分布基本约束在芯区中。结果对分析其他类型的非线性波导的模场分布具有指导意义。

为了提高自动调焦算法在动态环境下的性能,对调焦评价函数和调焦搜索策略进行了研究。在分析人类视觉系统特性研究成果的基础上, 提出一种基于8方向Sobel算子边缘加权的调焦评价函数。同时, 为了克服传统爬山法搜索速度慢的缺点, 采用自适应变步长极值搜索策略, 通过仿真实验可知, 提出的8方向Sobel边缘检测算子具备良好的边缘提取效果, 同时基于此算子结合人类视觉机制特性给予各边缘不同权重系数计算的调焦评价函数,比经典两方向Sobel算子调焦评价函数具备更好的抗干扰能力。最后搭建基于液体透镜的实验平台, 在动态环境下验证改进算法的性能。实验结果表明, 提出的自动调焦算法在动态环境下调焦准确率达到97.5%。

图像畸变校正是分布式孔径系统(DAS)需要解决的先期问题。介绍了描述图像径向与切向畸变的Brown模型及其畸变量(适应度)度量标准; 讨论了智能优化算法之一的混合蛙跳算法(SFLA)及其初始种群拉丁超立方抽样(LHS)算法; 分别对光线追迹畸变模型、Brown畸变模型进行了图像仿真和畸变校正处理。结果显示, 原始点与校正点的最大误差距离在2个像素以内, 验证了算法的有效性。最后应用该方法到实际广角CCD相机拍摄的靶纸校正中, 得到了较满意的结果。该算法和仿真分析结果对DAS系统的研制具有一定理论和实验意义。

鉴于实时高精度航天器位姿测量不仅是航天器实时监控和跟踪的重要技术保证, 同时也是实时调整和补偿航天器姿态的主要依据, 提出一种基于单目视觉的航天器实时位姿测量方法, 利用高精度旋转平台几何摄像机的方式对被测目标进行位姿解算。该方法不需要对被测目标进行几何约束, 同时也不用进行转站测量, 因而可以进行动态实时的在线位姿检测。航天器位姿实验结果表明: 该单目视觉测量方法姿态测量误差小于0.05°, 位置测量误差小于0.02 m, 满足实际工程0.1°和0.05 m的精度需求。

与传统测量方法相比, 数字散斑相关法由于其目标特征单元网格划分的灵活性, 能够更好地满足不同场合小角位移的测量需求。针对该方法亚像素小角位移测量的曲面拟合参数选择问题, 研究了亚像素测量图像小角旋转前后的九点二次曲面拟合法, 并根据计算机生成模拟散斑进行模拟实验分析, 得到最佳误差效率优化条件下的曲面拟合法求解亚像素小角位移的最佳散斑尺寸3.5 pixel、计算窗口尺寸41×41 pixel和拟合窗口尺寸3×3 pixel。实验验证了上述测量参数的有效性, 为进一步的曲面拟合法数字散斑成像角位移测量提供参考。

谐波探测被广泛应用于激光光谱技术中, 利用它可以提高探测灵敏度。利用1.653 μm的分布反馈式(DFB)二极管激光器作为光源, 建立了一套可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)甲烷探测装置。该装置利用由2块圆形柱面镜构成的光学多通池增加吸收光程, 提高探测灵敏度。吸收池基长为15 cm, 在112次反射情况下, 有效吸收光程达到16.8 m, 实现甲烷0.60×10-6(2 s采样时间)的探测极限, 可应用于实际大气甲烷的痕量探测。关键词:

将条纹投影轮廓测量术和体视显微镜相结合, 搭建了一套能够对微小器件的表面三维形貌进行测量的系统。该系统由一台Greenough型的体视显微镜, 一台DMD投影仪, 一个CCD相机和一个机械平移台组成。在利用相移算法和降级去包裹算法得到被表面形貌调制过的无歧义相位后, 通过相位和高度的映射关系, 得到高度值, 从而能够对微小器件的表面形貌进行重建。在标定时, 通过精密的机械平移台将陶瓷标定板置于不同的高度, 对其进行相位测量, 得到多组相对应的相位和高度值, 再对每个像素点进行多项式拟合来确定相位和高度的映射关系。实验测量了标定的最后一个平面以及微型的球栅阵列, 平面测量结果显示测量误差在10 μm以内, 从微型球栅阵列的三维重建结果可以清晰地看到排列的球形结构。实验结果证明了该系统对于平面和复杂的三维结构都能够进行精确的测量。

变焦距光学系统在校正像差的同时还必须满足像面稳定的要求, 补偿或消除由于光学系统中各组元的运动所造成的像相对接收器的偏移。利用动态光学稳像原理, 推导变焦距光学系统的稳像方程, 建立变焦距光学系统的数学模型, 设计光学系统的凸轮曲线。给出了变焦距物镜的动态分析过程, 利用光学设计软件CODE V最终得到了一个变倍倍率为8.15×, 焦距范围为27 mm~220 mm的变焦距物镜, 光学系统F#数为固定值4.2, 视场为4.12°~33.56°。给出了凸轮曲线的计算方法及CODE V成像质量分析结果和MTF等。

对鬼像的基本概念和形成原因进行了介绍与分析, 提出了利用光学设计软件CODE V定性分析与光机适配性软件LightTools定量分析相结合的鬼像仿真分析方法。使用lightTools软件仿真与系统探测器归一化真实响应照度值相比较找出鬼像路径, 给出改进措施。对验证实验中给定的电视成像光学镜头的鬼像路径进行计算和仿真, 计算结果表明, 镜头轴上鬼像路径的归一化响应照度为3.5×10-5, 小于探测器的归一化响应范围9.85×10-5~1, 探测器无响应, 即不产生鬼像, 证明该仿真分析方法正确可行。

针对车辆回复反射器光度性能的测试需求, 为了满足测试光源在远距离照射面上高均匀度光斑的要求, 设计一种远距离投射照明光源。光学系统采用了反光碗氙灯光源、导光管以及准直透镜的设计型式, 能够实现光能的有效利用及远距离传输, 可在远距离处形成均匀的接近于平行光的照射面。光学系统设计中加入了旋转调节机构, 可完成照明系统连续调焦功能, 能够实现在远距离照射面上对均匀光斑尺寸进行连续调节, 在照明距离为30 m~40 m的不同照射面上均得到不同尺寸的均匀光斑, 照射面上Φ250 mm~Φ300 mm内的光斑不均匀性小于5%。

随着虹膜识别技术的深入研究, 虹膜识别技术有望在移动支付领域被广泛运用。针对目前虹膜识别镜头体积和质量较大, 使用Zemax光学设计软体设计一款三片式非球面结构紧凑的500万像素虹膜识别镜头。该镜头工作距离是170 mm ~250 mm, F#为3, 镜头总长为4.43 mm, 光学畸变小于2%, TV畸变小于0.5%, 相对照度最低大于0.6。匹配使用APTINA公司一款0.635 cm(1/4英寸)CMOS,奈奎斯特频率为357 lp/mm,在1/2奈奎斯特频率处MTF均大于0.2, 总像素可达到500万像素。最后对镜头进行了像质评价和容差分析, 结果表明, 该镜头满足各项光学指标要求。

对红外焦平面阵列成像系统而言, 基于场景的非均匀校正技术是处理固定图案噪声的关键技术。现有的非均匀校正算法主要被收敛速度和鬼像问题所限制。提出一种新的基于恒定统计算法的自适应场景非均匀校正技术。利用红外图像序列的时域统计信息结合提出的α修正均值滤波来估计探测器的参数, 通过减少样本的渐进方差估计, 完成成像系统的非均匀性校正。通过模拟和真实的非均匀性图像对算法的性能进行评价。实验结果表明, 在继承恒定统计算法快速收敛的同时, 图像峰值信噪比较恒定校正法及常系数α校正算法分别有445%和329%的提升, 图像鬼像问题有明显改善。

介绍了基于复合腔结构的全固态波长可调谐的连续橙红色激光的输出特性。该复合腔由一个使用周期极化晶体MgO∶PPLN的信号光单谐振光参量振荡器和一个LD侧面泵浦Nd∶GdVO4晶体的1 062.9 nm基频光谐振腔构成。s-偏振1 062.9 nm泵浦光抽运单谐振光参量振荡器产生s-偏振信号光腔内独立振荡。通过复合腔结构的优化设计, 使独立振荡的p-偏振1 062.9 nm基频光与s-偏振信号光在2个子腔的重叠区内通过II类角度匹配KTP晶体的腔内和频过程获得橙红色激光。当MgO∶PPLN晶体的调谐温度从30 ℃ 上升至 200 ℃时, s-偏振信号光的中心波长产生红移, 导致其与p-偏振1 062.9 nm基频光和频产生的橙红色激光的中心波长从620.2 nm 红移至 628.9 nm。同时测得中红外波段闲频光的中心波长从3 714.2 nm蓝移至3 438.3 nm。在30 ℃最低设定温度时,中心波长620.2 nm 的橙红色激光和中心波长3 714.2 nm的闲频光最大连续输出功率分别达到2.0 W和2.9 W。

提出一种基于正交偏振双纵模的氦氖激光器纳米测尺系统, 将双折射元件插入He-Ne激光器谐振腔内产生频率分裂效应, 使激光器变成了频差可调的双频激光器。运用频率分裂、模竞争、双纵模功率调谐等激光物理效应和设定浮动阈值, 研制了新型的激光器纳米测尺。以激光波长为尺子, 具有可溯源性, 在没有任何电细分的条件下达到了纳米量级的分辨率, 与激光干涉仪的比对实验表明, 该系统的分辨率为79 nm, 量程为15 mm, 线性度为5.4×10-5, 标准差为380 nm。

在飞秒激光随机扫描双光子显微成像系统中使用宽带二维声光偏转器扫描飞秒激光, 可以增大扫描角度至74 mrad, 增大双光子显微成像范围。但宽带二维声光偏转器在大角度扫描时引入的色散较大, 造成成像范围边缘的光斑严重畸变, 边缘光斑直径达2.3 μm, 影响边缘视场的成像质量。为了提高成像质量, 设计了一种新的色散补偿方法, 基于衍射透镜组成的开普勒望远系统, 可以同时补偿不同扫描角度的不同色散。经过色散补偿后成像边缘的光斑直径小于1 μm, 使系统获得大范围扫描成像的同时, 所有扫描角度的色散都能够得到很好的补偿, 在整个视场范围内光斑直径小于1 μm, 实现更均匀的荧光激发, 均匀成像。

针对传统激光对中方法数学模型复杂、求解困难的不足, 提出一种基于聚焦物镜与PSD的激光对中测量方法。该方法利用光学系统中视场与焦距的关系以及相似三角形的原理得到不对中的角度偏差和平行偏差, 测量原理简单, 求解方便。实验结果表明, 当平行偏量和角度偏量的测量范围分别为0.5 mm~1.5 mm, 0.047 7°~0.143 2°时, 平行偏量测量误差范围为0.035 mm~0.207 mm, 角度测量误差范围为0.000 2°~0.012 8°。最后对系统测量误差进行分析并提出一种消除安装误差影响的方法, 给出了计算公式。

通过将一段长为 17 mm的多模光纤两端分别与单模光纤对芯熔接, 然后对多模光纤部分进行拉锥处理, 得到一种波长和强度同时对温度响应的锥形多模光纤温度传感器。实验研究了 30 ℃~80 ℃ 范围内传感器的温度传感特性。实验结果表明: 当环境温度发生变化时, 该传感器在 1 542 nm 附近干涉波谷的波长和强度对温度的响应灵敏度分别可达到 0. 041 nm/℃ 和 0. 106 dB/℃, 并且传感器干涉条纹的波长响应和强度响应之间呈良好的线性关系。基于传感器波长响应与强度响应之间的该线性关系, 通过传感信号强度的检测即可实现干涉型光纤传感器的相位解调, 该方法为传感解调信号提供了新思路, 具有重要的参考价值。

设计了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)的弯曲靶式流量传感器, 采用COMSOL软件仿真了弯曲靶臂受力时的应变分布规律, 并将两支FBGs分别粘贴于靶臂的外侧和内侧进行应力测试, 仿真与实验结果表明在外力作用下靶臂外侧和内侧分别产生拉应变和压应变, FBGs反射中心波长产生红移和蓝移。同时, 测试了该结构的温度特性, 在20 ℃~40 ℃两支FBGs反射中心波长均与温度呈线性关系, 从而可消除温度对测量结果的影响。随后搭建了弯曲靶式FBG流量传感器测量装置, 在0~800 L/H范围内的测量结果表明, 两支FBGs反射中心波长与水流量呈较好的线性关系, 其流量灵敏度为48 L/H。