为了充分发挥器件的性能, 采用凝视探测器件的搜索跟踪系统需要特殊的光学结构补偿搜索跟踪时产生的扫描效应。给出了物方和像方扫描补偿光路的形式和构成, 分析了平行和会聚光路两种不同补偿结构的特点, 论述了扫描补偿引入的光学问题以及相应解决途径, 提出了扫描补偿引入的最大光学原理性误差小于1/3～1/4像素的观点。

由于高能激光**破坏目标的瞬时性、反应的复杂性以及测试成本高昂, 使得通过实验评估激光**的毁伤威力具有很大难度, 因此, 通过数值模拟的方法对其毁伤威力进行建模仿真可以有效评估其攻防性能。在计算温度场时考虑了相变情况下材料导热率的变化以及材料熔化时熔化潜热对温度场的影响, 建立了相应的位移场、应力场数理模型并进行模拟。将多物理场模型整合到仿真系统中, 对激光**打击目标的过程进行了系统仿真, 模拟出不同工况下高能激光**对目标的毁伤效果。仿真结果表明, 激光辐照Al材料3.01 s时, 激光实时功率密度为0.930 8 W/cm2, 材料外壁面温度达到600℃, 内壁面温度为352.522℃, 此时材料表面刚刚达到熔化, 但其所受应力已使材料发生脆性断裂, 材料已被破坏。

f-theta透镜作为激光扫描系统中必不可少的部件, 对系统工作面尺寸、测量速度、测量精度等起着决定性的作用。为改变以往f-theta透镜扫描范围小、工作波长单一等不足, 设计出了一种工作于486 nm~656 nm波段的广角f-theta透镜。通过初级像差分析, 确定系统的初级结构参数, 利用光学材料的不同色散性能分配合理的光焦度来进行色差校正。设计结果表明: f-theta镜头像散值在像差容限范围内满足平像场要求, f-theta镜头系统最大色差为3 μm, 线性畸变误差值不超过0.015%, 光能利用率接近90%, 聚焦性能接近衍射极限, 满足多工作波长、高精度激光打标机的实际需求。

随着车载光电系统的发展, 多功能合一的观察瞄准镜成为发展趋势。将电视观瞄/可见光直视观瞄系统进行共光路设计, 可见光直视观瞄系统放大倍率为8×、视场为5°、出瞳直径为φ4 mm、出瞳距离不小于15 mm; 电视观瞄系统F数为6、焦距为110 mm。同时, 对设计结果进行公差分析, 根据公差分析结果制定严格的零部件加工公差及系统装调方案, 系统结构紧凑, 成像良好, 对2.3 m×2.3 m的目标进行观瞄, 识别距离大于4 km, 满足指标要求。

针对现有的LED照明系统体积大、结构复杂、工作距离短的缺点, 提出一种轻量化、均匀性好、能够实现远距离照明的单颗LED投影系统的设计方法。从照明设计理论出发, 结合非成像设计和成像设计方法, 设计了由单颗大功率LED、聚光镜、孔径光阑和投影物镜组成的投影照明系统。聚光镜对LED出射的光线进行匀化并会聚于照明面位置, 投影物镜将照明面处的光斑投影到指定距离的接收面上。系统采用全透射式结构, 便于加工和装调; 单颗大功率LED作为光源能够有效减小系统体积和质量。实验结果表明: 系统能在3 m~3 km范围内形成均匀度大于90%的照明, 成像质量良好, 投影面畸变小于5%, 能满足远距离均匀照明投影的要求。

高速飞行器在大气层中飞行时, 其光学头罩承受着严重的气动加热。超声速气膜冷却方法可以有效地隔离外部加热, 但是冷却气体和主来流形成的混合层会引起光束退化, 影响成像质量。为减少光束退化, 优化超声速气膜冷却时的光学性能, 基于混合层折射率和压力同时匹配设计思路, 提出了两种设计方法, 即配置特定温度的冷却气体实现混合层折射率和压力同时匹配设计方法和配置特定组分的冷却气体实现混合层折射率和压力同时匹配设计方法, 并对设计方法的可行性和有效性进行了验证。模拟证明, 后一种方法在外部流动参数不变的情况下, 冷却气体的组分构成仅与其喷流静温有关, 为气膜的冷却性能和光学性能同步设计奠定了基础。

提出一种基于改进空间频率域(UV)采样的阵列评价函数, 用于长基线天文光干涉望远镜阵列几何结构的优化。该评价函数将UV采样区域沿径向和角度方向分别进行划分, 统计划分所得区域中UV采样点数目并计算UV采样点密度, 以UV采样点密度偏离理想高斯分布的大小作为评价依据。在具体的优化技术上, 利用遗传算法的全局收敛特性, 降低了传统算法对初始结构的依赖, 采用该评价函数对6孔径望远镜阵列进行优化设计, 并与国际主流天文光干涉阵列CHARA进行了性能对比。分析结果表明: 优化所得Array-6阵列UV采样点密度分布具有径向连续覆盖和低频强调的特点, 有利于对轮廓信息的恢复; 双星模拟成像实验中Array-6阵列重构图像相对于原始图像的误差为21.34, 相比CHARA阵列降低了18.16%, 具有更高的成像质量。该优化算法具备优化大孔径数目阵列的能力, 对于射电波段望远镜阵列的优化设计亦有一定的参考意义。

光电振荡器(OEO)具有低噪声、高频率稳定性和抗电磁干扰的优势, 突破了电子技术产生微波信号频率限制和信号稳定性差、噪声大的瓶颈, 成为微波光子学研究热点之一。研究了光电振荡器的基本原理、理论模型、实现方法等关键技术以及应用。提出了OEO应用于微波信号处理系统亟需解决的多光路降噪、光纤温度和应力补偿、光电集成等关键技术及其解决方案。

研制了一种混沌-脉冲混合信号光时域反射仪, 其工作原理是通过连续混沌光与离散脉冲光分别对光纤中的菲涅尔反射与后向瑞利散射进行高精度测量, 将2次测量结果进行线性叠加得到光纤故障测量曲线, 该仪器解决了传统混沌光时域反射仪无法测量光纤损耗事件的问题。实验中利用G.652.B单模光纤作为被测对象, 对该仪器进行了实际测试, 测试结果表明: 所研制的混沌-脉冲混合信号光时域反射仪在104 km测量范围内实现了与距离无关的35 cm空间分辨率测量, 对光纤损耗事件也有良好的检测效果。

条纹反射技术中的多义性误差将直接影响测量结果的精度, 现有的多义性误差消除方法会大大增加系统复杂程度, 且只能补偿部分的误差。推导了条纹反射系统不含多义性误差的准确相位-梯度解析模型, 对该模型仿真分析得出: 当系统设置满足进入相机的光线与参考平面和显示屏都成90°夹角条件时, 系统多义性误差近乎为0的结论, 基于此, 提出一种基于同轴光路系统结构, 实验证明了所提出的同轴光路系统结构在物体表面高度从0增加至3 mm时多义性误差始终近乎为0, 普通系统结构的多义性误差随着物体表面高度从0增加到3 mm时, 多义性相位误差从0增加至15 rad, 实验证明使用提出的同轴系统可以大大抑制条纹反射技术中的多义性误差。

针对闪耀光栅模型光束偏转角度数量分布有限的缺点, 提出一种基于相控阵雷达模型的液晶光束偏转波控方法。该方法控制液晶电极间相位差, 通过改变液晶电极间相位差控制出射光波束方向。使用傅里叶光学方法推导该模型最大偏转角度、光束偏转角度与电极间调制相位关系以及衍射效率和偏转角度的关系。实验证明该方法可实现任意分辨角的光波束扫描,在0.15°光束扫描范围内实现优于20 μrad的连续光束偏转。

为了满足现代工业所需的大纵深物体的三维形貌获取需求, 解决传统结构光三维形貌获取技术纵深较小的问题,借助集成成像这种阵列式多视点获取技术, 构建了基于集成成像的大纵深物体的三维形貌获取技术。从集成成像原理出发, 分析了集成成像三维物点和同名像点之间的关系, 得到集成成像光学获取系统参数和三维物体纵深极限之间的关系。在此基础上, 利用相机和电动平移台构建了扫描式相机集成成像三维形貌获取系统, 并对纵深从600 mm到3 600 mm相对独立的2个物体构建的大纵深三维物体进行了形貌获取。光学实验结果显示, 该集成成像大纵深物体三维形貌获取技术能够单次获取纵深为3 600 mm的三维物体的三维形貌, 为大纵深物体的三维形貌获取提供了技术支持。

提出一种采用粒子群优化(PSO)的高斯混合灰度图像增强算法。该算法首先采用高斯混合模型(GMM)对输入图像的灰度直方图建模, 并采用模型中高斯成分的有效交点来分割直方图。随后, 该算法将每个直方图区间的灰度值转换到合适的输出区间, 生成增强后的灰度图像, 其中转换函数由输入直方图区间的高斯成分和累积分布经过粒子群优化后的参数决定。实验结果显示, 该方法生成的图像视觉效果较好, 对原图像和纹理细节丰富图像分别进行图像增强, 增强后的图像信息熵分别是4.746 6和7.952 6, 灰度平均梯度为6.970 6和37.386 1。

根据光源混合原理和模拟黑体轨迹的Chebyshev法, 推导了三通道脉冲宽度调制(PWM)占空比与色坐标、光通量、相对色温之间的关系式, 同时确定调光约束条件。在上述推导公式基础上, 设计出一种智能调光控制系统, 该系统通过手机客户端分别控制暖白/绿/蓝3种LED光源模组, 实现高显色指数Ra下混合白光的调光调色。实验结果表明: 设置光源色温为3 600 K时, 光通量在600 lm之内, 设定值与测试值最大误差为0.74%; 当光源光通量设定为300 lm时, 色温在［3 200,7 600］之间连续可调, 其最大误差为1.82%, 且光通量波动小于4%; 混合光源具有较高的显色指数, 在调光范围内, 一般Ra在90以上, 最大可达95.3。

为了测量智能瞄具狙击步枪系统瞄准线偏差, 控制击发时机并提高射击精度, 提出了滤波加权融合方法与线性预测击发判据。运用卡尔曼预测滤波对脱靶量滞后进行补偿, 得出瞄准线偏差;将陀螺数据滤波后积分得出另一瞄准线偏差;根据加权融合算法, 得到加权融合后瞄准线偏差。建立了基于陀螺信号、融合信号和电动击发装置特性的线性预测击发判据;搭建了dSPACE实验测试系统, 进行了瞄准线偏差测量实验和模拟对比射击实验, 结果表明: 滤波加权融合后的信号基本可表示瞄准线实际偏差; 在滤波加权融合方法与线性预测击发判据条件下模拟射击时, 弹着点分布在0.05 mrad圆内的概率为85.7%, 高于简单控制击发模式下53.33%的概率。

针对雾霾天气条件下目标对比度下降问题, 研制成功了一套多光参量测量成像系统。通过多光参量成像的系统级辐射响应模型及模型参数分离式标定, 实现雾霾天气情况下的多种场景目标成像实验观测。结果显示: 楼房玻璃反射光中的偏振分量相对较强, 通过线偏振、圆偏振、偏振角图像, 可以清晰地分辨玻璃窗结构; 普通的强度信息很难辨别雾霾天气下的路口车辆, 在线偏振及偏振角图像中能够看到车辆, 但是掺杂了树木的偏振信息, 车辆信息较模糊; 在圆偏振信息图像中, 树木的圆偏振信息较少, 车辆目标对比度提高20%。

为了提高真空低温环境下卫星大型抛物面型天线变形测量的精度, 对摄影测量技术中影响测量精度的主要因素之一测量网形进行了研究。通过理论分析发现, 环拍网形比航带网形更有利于提高抛物面型天线变形测量的精度。为了验证该结论, 设计了不同网形的对比试验, 搭建了针对实现网形拍摄的移动机构, 并以形面偏差的稳定性和长度平均偏差大小作为判断标准, 对直径5 m的抛物面天线模型进行了测量, 测量结果与理论分析一致。

针对视觉测量中硬盘圆孔孔径容易受到圆孔周围局部强反射、外部噪声的影响和测量精度不高的问题, 提出一种基于小波变换、数学形态学和机器视觉相结合的圆形零件孔径测量方法。对摄像头采集圆孔图片, 通过小波变换分解出高低频图像, 利用小波变换对高频部分进行边缘提取, 数学形态学对低频部分进行边缘提取, 然后进行小波边缘融合, 获取有效的圆孔边缘。利用最小二乘法对边缘进行孔径尺寸计算, 经实验验证, 该算法与其他算法相比, 在有效地保留圆孔周围边缘信息的情况下, 对周围噪声进行了有效的抑制, 检测精度为001 mm以内, 实验结果表明此方法简单易行, 且具有较高的精度。

文中以焦距4 000 mm、口径Φ400 mm的反射式平行光管精密调试、检测工艺方法为研究对象。作为某光学系统的检测与标定基准,该平行光管在成像质量、分辨率、出射光束平行性等关键指标都有极高的要求, 重点从主镜微应力粘接、主次镜光学间隔精确调节、主次镜光轴一致性调节和分划板位置精确标定等关键工艺环节入手进行了深入研究, 并利用自准直法进行了精密调试、检测。最终得到的平行光管系统分辨率≤0.8″, 出射光束平行差≤3″, 星点能量集中, 无明显像差, 十字分划板竖刻线与安装基准铅垂, 综合性能指标达到设计要求。

为提高真空相机光学性能, 对现有改正镜作为真空相机封窗进行了可行性研究。通过现有改正镜几何模型, 将力学场映射到有限元模型中, 计算改正镜在受大气压强差状态下的变形。利用最小二乘法求解Zernike多项式前6项系数和拟合求解改正镜面形方程, 分析变形后的改正镜对真空相机像质影响。研究结果表明: 相对于原有像质的弥散半径, 变形后的改正镜使得真空相机点阵图的弥散半径增大且最大增大41.9%, 通过调节CCD焦距从249.554 mm变为249.574 mm, 使得CCD点阵图弥散半径相对于原来增大0.301%~1.09%, 保持了LAMOST低分辨率光谱仪相机原有的像质要求, 说明现有改正镜可直接用于真空相机设计方案。

针对快焦比特大非球面度离轴非球面反射镜, 设计了3片式Offner补偿器。为应对3片式补偿器对中心偏差及镜间隔严格的公差要求, 设计了相应的补偿器镜筒结构。该结构使透镜中心倾斜及平移调整相分离, 实现补偿器的高精度装调。根据中心偏差测量仪的测量结果, 2片补偿镜之间倾斜误差44″, 平移误差35 μm, 镜间隔误差38 μm; 补偿镜组与场镜之间倾斜误差53″, 平移误差42 μm, 镜间隔误差72 μm, 满足检测使用要求。利用该补偿器及4D动态干涉仪对精抛光阶段的离轴非球面进行检测, 面形结果PVq值达到0135λ, RMS值达到0019 5λ, 优于设计要求。

静态傅里叶变换光谱仪的反射镜采取微阶梯反射镜, 使光谱仪可在无需空间驱动装置的前提下实现空域上各级次的同时采样。通过理论研究和对测试数据的对比分析, 确定使用楔形玻璃条制作微阶梯反射镜。此方法采用常规光学零件加工工艺制作1个楔形玻璃块和10个楔形玻璃条, 然后按序选取楔形玻璃条, 并逐一光胶在楔形玻璃块的斜面上, 且相邻楔形玻璃条的接触面用紫外胶固连; 水平方向反复推动相邻后一个楔形玻璃条直到检测仪器测量出相邻楔形玻璃条的阶梯厚度差达到要求为止; 用紫外灯固化紫外胶; 重复以上步骤制作出所需台阶数目的微阶梯反射镜。和别的制作方法相比, 此方法安全性和可行性高, 而且具有一致性、台阶厚度可控特点, 可制作出台阶高度误差为0124 μm、表面粗糙度为12 nm的微阶梯反射镜, 达到系统设计要求。

针对某机载红外转塔在低温环境下会产生像面抖动的现象, 分析了引起像面抖动的主要因素, 通过建立模型、热力学分析和静力分析, 得出在低温环境下俯仰支架变形量最大为0.34 mm, 承受加速度过载下变形最大为0.46 mm。通过对俯仰支架进行调整、固化形态, 使俯仰组件低温转动平滑, 应力变形量在0.05 mm以内。同时对旋变布线方式及电机电刷安装位置提出了改进措施并给出了控制数据, 解决了某机载红外转塔低温像面抖动问题。

根据金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在线红外测温的发展需要, 提出一种3波长免探测孔有效面积校准和反射率修正的测温方法。给出了探测1 300 nm、1 150 nm、940 nm 3波长的在线测温探头设计方案和光路图, 将该探头应用于THOMAS SWAN CCS MOCVD 5.08 cm (2英寸)Si(111)衬底上生长10 μm GaN外延层的在线测温。测量结果表明: 在700 ℃~1 100 ℃范围内, 探头多次测量的重复性误差在1.0 ℃内, 在950 ℃~1 100 ℃范围内, 以EpiTT红外测温仪为参考, 探头测温精度在1 ℃内, 距离容差性为2 mm。该探头应用于我国自主研发的MOCVD 5.08 cm Si(111)衬底上生长InGaN/GaN MQW 结构蓝光LED外延片, 可得最低测温量程为435 ℃, n-GaN生长过程中测量噪声为0.75℃。结果分析表明: 该3波长免修正在线红外测温法对于高质量单层薄膜外延生长具有一定可行性, 对于多层复杂结构外延生长需要进一步改进。

为了有效提高星载激光雷达后继光学系统中滤波器组件结构热保温性能, 保证其核心部件F-P标准具利用材料的热光特性进行中心波长调谐的精度, 对滤波器组件进行了初步热结构设计。利用有限元软件Ansys Workbench对滤波器组件初始结构进行稳态热分析, 确定加热功率范围, 再对热结构中的关键参数进行基于灵敏度分析的多目标优化, 并确定各参数的最优值。优化分析结果表明: 标准具达到稳态设计工作温度48℃时, 加热功率为705 W, 节省功率消耗113％, 标准具表面节点最大温差由原来的0253℃减少为005℃, 满足设计技术指标要求。

在激光系统中, 镜面平整度很大程度上影响了输出激光的光束质量。为了定量地评价镜面瑕疵对激光光束质量的影响程度, 提出描述镜面瑕疵与空间光束相关程度的参数τ和镜面瑕疵对远端光场的影响参数δ。经仿真计算, 研究了不同镜面瑕疵对激光光束质量的影响程度, 得出影响参数δ和相关度τ的变化规律, 即影响参数δ和相关度τ的内在线性关系。对于任意TEM00模、TEM01模和TEM02模, 此线性关系近似一致, 具有普遍性。例如当瑕疵透过率为0时, 对于3种模式的光场, δ随τ变化的线性曲线的斜率都近似等于1.8。

就水下探测设备要求激光器输出频率高、体积小、波段宽, 提出通过侧面泵浦激光技术和电光调Q技术获得高重频1 064 nm波段激光。利用腔外波长变换技术, 实现532 nm激光输出。在电源输入电流100 A, 调Q驱动频率1 kHz的条件下,获得36 mJ的1 064 nm激光输出和20 mJ的532 nm激光输出。试验结果表明: 通过半导体泵浦技术和频率变换技术, 可实现高重频窄脉宽双波段激光输出。

提出一种基于自由曲面的光纤照明用耦合透镜的设计方法。通过非成像光学设计, 以光学扩展量与折射定律为理论基础, 自由曲面迭代优化, 实现光源与光纤之间的低损耗耦合。仿真结果表明: 以LED芯片作为光源, 该透镜可以将光通量传导效率提高至89%以上, 具有良好的应用和发展前景。

光纤干涉光谱仪由于其体积小、分辨率高、抗电磁干扰和耐高温的特点, 广泛应用于各种领域的物质检测中。设计了一种使用电动光纤延迟线实现光程差调制的基于Mach-Zehnder光纤干涉仪的光谱测量系统。介绍了系统的构成, 推导了基于该系统的光谱计算公式以及分辨率计算公式。搭建了实验平台, 对一宽谱光源进行测试, 并采集其干涉信号, 解调出了相应的光谱图。对结果进行分析, 当最大光程差变为0.479 5 cm时, 光谱分辨率为2.085 4 cm-1。电动光纤延迟线的性能在很大程度上决定了最终解调出的光谱的分辨率、精度, 尤其是速度和延时时间的精度和线性度。