用基于DSP的线阵CCD实现二维图像信号采集的系统设计

对光电转换系统，尤其是采集信号的后处理进行了研究。介绍了在光电精密数据采集处理中通过DSP用硬件实现对CCD信号的采集和处理过程。给出了对CCD信号进行边缘识别的微分算法和将线阵CCD信号进行组合，恢复出二维图像信号的算法。同时还给出了详细的硬件处理电路。重点介绍了DSP与FIFO的数据传输、DSP与USB的接口电路。解决了一般情况下系统无法做到的用线阵CCD实现二维图像信号复原的问题。通过实验，证明了该方法的有效性。线阵CCD信号是以若干线段的形式存在的，特别适用于激光雕刻机图像采集系统，应用前景广阔。     

椭圆孔径与轴棱锥系统产生带状近似无衍射光束

基于菲涅耳衍射理论,硬边孔径的复高斯函数展开法及稳相法研究了椭圆孔径与轴棱锥系统的光束传输特性,推导出了高斯平面波经轴棱锥衍射后产生的无衍射光场的表达式,数值模拟了不同传播距离处的截面光强分布,并设计了实验进行验证。用电荷耦合器件(CCD)拍摄得到不同传播距离处的光强分布。实验和模拟结果均表明平面波经椭圆孔径和轴棱锥系统后可获得具有马丢光束特征的带状无衍射光束。研究结果对无衍射光束在光学无损检测、条码扫描等应用上具有重要的指导作用。     

激光光斑漂移的检测

针对激光光斑漂移设计了一套光斑漂移检测系统。利用该系统实现了对He-Ne激光器出射光束漂移的检测。它采用CCD摄像头和图像采集卡采集激光器输出光斑，通过专门软件对数字图像进行处理，得出光斑漂移的大小；另外，利用几何光学方法得到了激光光束在X方向、Y方向以及空间立体角上的漂移大小。分析了引起光束漂移的原因。结果表明：He-Ne激光器出射光束的指向主要受温度、环境振动、空气扰动和激光器自身结构的影响。该系统能准确地测量出激光器出射光束的漂移大小，实现光束漂移的控制。     

基于镜像分析的空心导管光束整形原理研究

基于镜像原理,对空心导管LD面阵光束整形的原理和输出光场的特点进行了分析,并对LD面阵光束经过空心导管后的光强分布进行了仿真.发现空心导管将LD不同角度范围的光束进行分割,并在出射面内叠加的光束整形原理.通过仿真得出由于发散角较大以及各分割角度范围光束角度不连续,使出射面上的平顶光束发生畸变,只适于泵浦薄激光介质的结论.     

炸药爆轰瞬时温度的实时测量

针对爆轰时刻光谱的特点,结合多光谱测温的理论基础,采用高速率线阵CCD,设计了瞬时多光谱爆轰测温系统。通过FPGA对各个模块进行控制,完成数据的采集、存储和传输;结合多项式回归算法,拟合出爆轰瞬间光谱信息的动态波形图。在标定过程中,采用两束激光特征谱线630和532nm进行CCD的标定,确定出对应的像元序号分别是175和270。对卤钨灯的表面温度进行实时监测表明:基于高速线阵CCD的多光谱测温系统可以完成多个时刻的瞬时光谱采集;在40MHz的高速时钟驱动下,CCD的帧频可以稳定工作在73kHz。     

Wollaston式平行分束偏光棱镜的光学特性分析EI北大核心CSCD

根据折射定律结合棱镜的结构特点,推导出了Wollaston式平行分束偏光棱镜所对应的切割角应满足的关系．利用菲涅尔公式和薄膜的光强透射理论,推导出棱镜的光强透射比、光强分束比和两出射光束的平行度表达式．通过Matlab数值模拟,研究并实验测量了棱镜的光强透射比、光强分柬比和出射光平行度随入射角或入射波长的变化关系．结果表明：出射光束的平行度与实验结果符合得非常好,光强透射比规律与理论结果一致．Wollaston式平行分束偏光棱镜的光强透射比和光强分柬比随入射角有微小的起伏变化,当入射光束的入射角在-3°～3°的范围内入射或波长在（400～1100）nm范围内变化时,两光束之间的夹角不超过0．42°,平行度稳定性较好．     

信号光束宽度对不同漂移误差的空间光通信系统误码率影响的研究

信号光束宽度直接影响着空间光通信系统误码性能,光束宽度的选择需要综合考虑多种因素。研究了激光在大气湍流中的光束漂移、光强闪烁和平均光强与光束宽度的关系,得到考虑漂移因素的光强闪烁和平均光强与光束宽度的关系。分析表明在弱湍流条件下,光强闪烁和平均光强与光束宽度和对准精度相关,讨论了在水平路径上未跟踪补偿和跟踪补偿的光束的光强闪烁和平均光强随光束宽度的变化趋势。利用数值方法得到光强闪烁最小、平均光强最大时的光束宽度取值区间,通过光强概率分布关系和实际应用要求实现了光束宽度的优化选取。结果表明,在相同系统信噪比情况下,跟踪光束与未跟踪光束相比,系统误码率低,光束宽度值相对较小,取值区间大。     

线阵激光二极管侧面抽运Nd∶YAG激光器特性研究

依据四能级系统速率方程 ,推导出了多横模振荡固体激光器输出与输入参量的关系。对二极管抽运固体激光器中线阵激光二极管三向对称侧面抽运结构 ,计算了抽运光强分布 ,并就激光器的阈值抽运功率、近阈值条件下的斜率效率、输出功率和光束质量等与抽运参量的关系 ,进行了数值计算。由计算结果看出 ,线阵激光二极管侧面抽运Nd∶YAG激光器中晶体半径和抽运光束腰半径是影响输出激光功率和光束质量的主要因素 ,并通过在谐振腔中加小孔选模 ,使光束质量得到明显改善。选择了一组三向侧面抽运结构参量进行了实验验证 ,实验结果与理论计算一致。     

线阵激光二极管侧面抽运Nd:YAG激光器特性研究

依据四能级系统速率方程,推导出了多横模振荡固体激光器输出与输入参量的关系。对二极管抽运固体激光器中线阵激光二极管三向对称侧面抽运结构,计算了抽运光强分布,并就激光器的阈值抽运功率、近阈值条件下的斜率效率、输出功率和光束质量等与抽运参量的关系,进行了数值计算。由计算结果看出,线阵激光二极管侧面抽运Nd：YAG激光器中晶体半径和抽运光束腰半径是影响输出激光功率和光束质量的主要因素,并通过在谐振腔中加小孔选模,使光束质量得到明显改善。选择了一组三向侧面抽运结构参量进行了实验验证,实验结果与理论计算一致。     

线偏振高斯光束通过条形浮雕光栅的传输

使用角谱表示和严格的模式理论研究了线偏振高斯光束通过特征尺寸与波长可比拟的条形浮雕光栅的传输，系统参数误差对浮雕层中光强最大值的影响.研究表明，光束在条形浮雕光栅各层中有不同的光强分布，浮雕层的介质填充部分中的光强明显高于展空部分的光强.光栅周期误差对浮雕层中最大光强的影响起主要作用.并利用模拟退火优化算法优化系统参数以控制出射光束的光强分布.     

利用线阵CCD测量液体折射率实验研究

提出一种利用线阵CCD测量液体折射率的方案,平行光束经过透镜汇聚,在汇聚点处设置线阵CCD检测光束直径大小,在透镜后加入液体,光束发生折射,利用线阵CCD测量出光束直径变化量,即可测量得液体的折射率。实验测量得蒸馏水、乙醇液体的折射率与标准值吻合,相对误差小于0.4%。对不同折射率的液体,只需测量出光束直径变化量即可测量出折射率。本方案结构简单、测量操作简化、测量准确,在物理实验教学和折射率测量仪研制中具有应用价值。     

空间光强自动测试装置的研究

通过对灯具空间光强测试方法的研究，提出了一种空间光强测试新方法。建立了灯具空间光强自动对中的数据模型，介绍了空间光强自动测试装置的组成和测试原理。借助二维扫描系统和专用测试软件绘制出空间光强的三维图形，从而可快速求出灯具x和y轴的光强分布曲线以及发散角，故而可获得所需的测试信息，并可通过全过程测试得到更加丰富的测试信息及测试报告。最后给出将一投影灯置于离探测器5m处的测试结果，按文中所述测试原理测得的峰值光强为2634.4cd，发散角为15.25°。     

高分辨率光谱仪线阵CCD采集系统设计

为了满足高分辨率光谱仪高灵敏度、高分辨率、低噪声的技术要求,设计了用于微光成像系统的背照式CCD驱动电路及主控电路。线阵CCD采集系统采用Altera公司的MAX X系列FPGA作为核心控制器件,为线阵CCD提供多路驱动信号;线阵CCD探测器输出模拟信号经过信号预处理及AD采样,变换为数字信号后通过USB接口模块发送给光谱仪。通过将线阵CCD采集系统安装到高分辨率光谱仪,对汞灯谱线进行特征峰测试,光谱分辨率可以达到0.062 nm,满足高分辨率光谱仪的探测要求。     

基于CCD的电玩具中LD和LED光斑尺寸测量

根据高斯光束的传输特性,搭建了一套测量电玩具中LD和LED光束质量和光斑尺寸的测量系统。该系统以CCD作为光斑采集的关键设备,利用自行编写的软件同步控制CCD和数控位移平台,采集LD和LED所发出光束在不同位置的光强分布图样。利用二阶矩计算光束的束宽,并由双曲线拟合得到光束轮廓曲线,计算出光束的M2因子,进而推算出LD和LED光束任一位置的光斑尺寸,实现对电玩具中LD和LED发光光斑尺寸的精确测量。     

利用光强分布转换器件实现低能耗光学超分辨

依据基模（ＴＥＭ００）高斯光束本身的横向光强分布,结合一类光强分布转换器件的转换特性,提出一种衫型低能耗光学超分辨的新方案,高斯光中央峰入射这类器件后,将从器件的边缘出射,而入射到边缘的光则从中央出射,由此,在成像系统中就可实现光学超分辨,与原有的滤波器比较,大大降低了能量的损耗。     

发光二极管路灯光强空间分布的非线性优化设计

道路照明的首要目的是满足使用者的视觉需求,在此前提下还应尽可能降低能耗实现节能环保,这两点均与道路灯具的光强空间分布密切相关。而很难用一种通用的光强分布适用不同的道路和灯具安装条件。针对主干路、次干路、支路3种典型道路类型,提出了根据具体道路、安装条件以及驾驶员视觉光环境需求逆向设计灯具最节能光强空间分布的思路,并建立了以驾驶员视觉光环境需求为约束、以灯具总光通量最小为目标的非线性优化模型,将路面照度分布表述为余弦多项式并利用分级优化方法进行了求解。得到了3种典型道路条件下发光二极管(LED)路灯的最佳光强空间分布,相比现基于照度均匀分布设计的LED路灯光强分布,驾驶员视觉光环境质量显著改善,且灯具节能30%左右。     

光纤激光相干阵列远场光强分布的影响分析

在光纤激光相干组束中,受到各种因素的影响,各个单元激光器出射激光的相位、振幅和偏振态不能保持一致,并随着时间而变化,均会降低相干组束后的光束质量、减弱光束中心的峰值光强和中心区域内的功率.针对光纤激光相干组束中每个单元光束的出射时的相位、振幅和偏振方向扰动对相干组束远场光强分布的影响进行了理论分析,并给出数值计算结果.结果表明远场光强分布的图形、峰值光强度和中心区域内的功率,受到各因素的影响,都会不同程度的变差或减弱.     

一维线阵离轴高斯光束通过湍流大气的传输特性

研究了一维(1D)线阵离轴高斯光束通过湍流大气的传输特性，推导出了其光强传输方程. 研究表明，1D线阵离轴高斯光束通过湍流大气传输经历了三个阶段，即在近场其光强分布为类似于入射光的锯齿状分布，随着传输距离的增加逐渐变为平顶分布，最后在远场成为类高斯分布. 湍流的增强会使光束传输经历三阶段的进程加快. 并且，湍流使得不同子光束数的1D线阵离轴高斯光束的归一化光强分布相接近. 此外，子光束数越多的1D线阵离轴高斯光束受到湍流的影响越小；1D线阵离轴高斯光束较高斯光束受到湍流的影响要小. 关键词： 一维(1D)线阵离轴高斯光束 湍流大气 传输特性     

基于三线阵CCD空间目标的高精度位姿解算

为了解决三线阵CCD空间目标位姿测量的精度问题,提出一种高精度位姿解算方法。该算法将所有线阵CCD相机的坐标系进行统一化处理。通过建立一个新的误差评价函数,运用改进的正交迭代算法求解位姿参数,并进行非线性优化。仿真和实际测量结果表明,该算法有效避免了因数据恶化或初值选取等因素造成的不收敛或收敛差的问题。与传统算法相比,该算法测量精度和抗噪特性均得到有效改善,计算效率提高了4.6倍,实际测量的6个自由度的最大相对误差为0.71%。该测量系统可实现对空间目标的高精度实时测量,且具有安装方便、应用范围广等优点。     

基于配准递进补偿的相位恢复

针对光强传输方程法在部分相干光场相位恢复过程中,由于CCD采集频率与LED发光频率不同步导致恢复的相位出现黑白相间的条纹,以及机械移动造成采集角度的偏差所导致的相位结果错误等问题,提出了配准递进补偿算法.首先,对所采集的具有一定角度偏差的三幅强度图进行角点检测和互相关匹配,并去除错误点对从而得到变换矩阵进行图像变换以纠正原有的偏差.同时,由于照明光波的缓慢动态变化与其低频分量相关,在新的配准图像中进行初次补偿以改善照明频闪效应.然后使用光强传输方程求解得到样品的初始相位.为了解决初始相位边缘出现的光晕,再次对恢复的相位进行补偿以突出样品的关键信息.搭建了真实光路系统进行实验验证,结果表明所提方法在纠正角度偏差的同时改善了频闪效应.微透镜阵列实验中,恢复的结果与实际结果相对误差为1.7%,证明了所提算法的正确性与有效性.