摘要：受地表不同区域反照率的差异和大气辐射的非均匀性影响,星载成像光谱仪中的物理狭缝被非均匀照明,导致仪器光谱响应函数线性失真,表现为在获取的光谱信号中叠加随机误差,影响成像光谱仪对光谱的反演精度。为了提高大气温室气体浓度探测的时间分辨率和精度,单台温室气体成像光谱仪具有非常宽的空间视场和极高的光谱分辨率,光谱仪受辐射非均匀性的影响相对于普通成像光谱仪更明显。本文设计了针对温室气体监测成像光谱仪的二维空间匀化器,它可以在跨轨和沿轨两维对场景辐射实现匀化。二维空间匀化器由矩形光纤阵列组成,沿轨单根光纤的宽度由积分时间确定,跨轨单根光纤的尺寸表示仪器的空间采样宽度。本文研究了组成二维空间匀化器的矩形光纤的稳定性,对比了不同光纤长度、不同照明场景以及不同粗糙度等条件下光纤出射光斑的均匀度,结果表明:随着光纤长度的增加,尽管能量损耗相应增加,但是出射光斑均匀度也随之增加;非均匀照明场景下光纤出射光斑均匀度与均匀照明场景下光纤出射光斑均匀度基本一致,表明矩形光纤具有良好的匀化性能,也说明二维空间匀化器能有效地降低光谱仪对地球场景不均匀辐射的敏感性。此外,本文还研究了矩形光纤的焦比退化特性,结果表明,在输入F数为4的情况下,出射端采用F/3.5的光学系统接收时,光学效率能达到95%以上。

摘要：依据热平衡原理设计了以单片机为控制核心,DS18B20数字温度传感器和铂电阻PT100为检温元件,正温度系数(PTC)效应加热器为执行元件的温控及制冷功率测量系统。通过模糊PID(Proportional Integral Derivative)控制算法输出不同占空比的脉宽调制波,控制辐射冷却材料温度和环境温度保持一致性,同时利用3D打印工艺完成装置的搭建,最终测算出辐射制冷功率。实验结果表明,系统测量计算的辐射制冷功率与理论预测值接近,该系统可以有效满足多种辐射冷却材料的测量。

摘要：自适应温度调控器件以其智能开关特性而逐渐成为研究焦点,但是一方面其特殊的光谱要求使得器件设计过程复杂且周期冗长,另一方面器件热控性能亟待提高以满足更加严苛的应用场景。针对以上问题,提出一种深度生成神经网络模型来执行上述复杂的优化任务,该网络模型的更新不依赖于数据集,而是将生成神经网络与传输矩阵方法(TMM)相结合,通过TMM返回的梯度信息指导产生符合预期的多层膜结构,并自动优化膜层厚度和材料种类。作为网络优化能力的验证和演示,本课题组使用该方法设计了一种基于二氧化钒的自适应热控器件,实现了高温太阳吸收比低于0.2、高温发射率高于0.9、发射率差值大于0.8的优异性能。与传统的优化算法相比,生成神经网络以高自由度和更快的速度寻找最优解,与普通神经网络相比,全局优化网络考虑整体的优化目标,通过全局搜索寻找全局最优解,设计结果也证明了该方法在复杂设计任务中的实用性。

摘要：十几年来,钙钛矿太阳能电池(PSCs)由于其在功率转换效率和制造成本方面的显著优势而备受关注。然而,其复杂的物理机制和众多限制因素给实验设计、工艺制造和综合优化策略带来挑战。以光电多物理场耦合模型为核心,开展一系列多物理场仿真计算,研究光电耦合模型的底层物理和边界条件,获得PSCs包括光学性能和电学性能的大量数据。根据这些数据,建立微观物理量和宏观光电响应的神经网络及机器学习模型,成功预测PSCs的光学和电学性能,其误差在3%以内,且速度较快。结合遗传算法,该模型根据给定的响应曲线反向优化结构参数,进而获得更高效率的PSCs。该研究有效解决了PSCs因光电耦合机制复杂、物性参数众多、仿真速度较慢而难以优化设计等难题,为光伏器件快速智能化设计提供了一种可行路径。

摘要：为解决目前激光测距接收光学系统存在的难点,即系统在具有充足进光量的同时又要保证其低制造成本和轻小型化,基于拉格朗日不变量理论分析设计了一种大相对孔径接收光学系统。系统采用6片式伽利略型标准球面镜,使用光敏面直径为0.5 mm的雪崩光电二极管(APD)探测回波光信号,优化后的系统入瞳直径为50 mm,相对孔径为1∶0.9,系统总长为114.9 mm,拉格朗日不变量为125 mrad·mm,获得了较为充足的进光量的同时满足低成本小型化要求。为降低杂散光的影响,进一步设计了遮光罩及镜筒栅栏结构。杂散光模拟追迹结果表明,系统在20°~85°离轴角视场外的杂散光抑制可以达到激光测距系统要求。在接收光学系统拉格朗日不变量为125 mrad·mm的前提下,激光测距系统的测距量程在加入光学系统后综合提升了21倍,表明该接收光学系统具有较大应用价值。

摘要：利用计算全息图(CGH)能够实现对非球面面形的高精度检测。为了提高CGH的编码效率,提出一种以圆弧为基元对刻线条纹进行分段描述的编码方法,该方法将编码过程分为二值化编码和曲线描述两个步骤。二值化编码采用牛顿迭代法将相位等高分界线离散化;曲线描述结合二分法及残余误差均方根最小准则,利用圆弧对条纹离散点进行编码计算,从而得到刻线条纹。针对一离轴非球面,进行了CGH的设计、编码与制作,在编码精度优于λ/1000的前提下,运算时间仅需3 h,编码文件仅为39 MB,刻蚀时长仅需40 min,证明所提方法相对于传统编码方法能够大幅度提高编码效率,且误差分析表明CGH的波前root-sum square(RSS)误差仅为0.00255λ,证明所提编码方法高效可行。

摘要：为了降低可见光通信(VLC)系统的误码率,设计了一种基于二进制开关键控(OOK)调制的VLC视频传输系统。该系统采用改进型4B5B编码、后均衡放大电路改善了系统误码性能,拓展了系统的-3 d B带宽,并在自适应阈值判决的基础上分析数据的相关性特征,实现了OOK解调。实验结果表明:系统可以在2 m的距离下实现1080 P高清视频的实时、无失真传输;当传输速率为60 Mb/s时,改进型4B5B编码能将系统无编码时的误码率由2.2×10^(-2)降低至2.81×10^(-6)。

摘要：测量不确定度是与测量结果紧密相关的重要指标,反映了仪器测量的稳定性。激光三角测量仪器的测量不确定度与成像光学系统数值孔径直接相关,增大数值孔径能够有效降低测量不确定度。为了满足高精度测量需求,应用二维Q-type多项式自由曲面,设计用于线激光三角测量仪的大数值孔径双远心Scheimpflug成像光学系统。首先基于三角测量原理和线激光三角测量仪指标分析成像光学系统参数,然后结合像差灵敏度分析以及自由曲面像差特性,确定成像光学系统中自由曲面的位置和数量并进行优化设计。设计得到系统的数值孔径为0.2,成像范围为10 mm×14 mm,调制传递函数(MTF)优于0.6,最大畸变为0.21%,远心度优于0.3°。该系统具有大孔径、成像质量好、畸变小、双远心的特点,能够满足高精度线激光三角测量仪的应用需求。

摘要：为克服现有离轴头戴显示光学系统设计方法不能直接设计全视场全孔径自由曲面反射镜的问题,提出了基于马吕斯定律的自由曲面三维直接设计方法。首先根据马吕斯定律求解自由曲面在全视场和全孔径范围内的所有特征数据点,然后将特征数据点拟合成用多项式表征的自由曲面,直接获得成像质量良好的自由曲面离轴系统初始结构,最后利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化,确定最佳拟合系数,生成所需的自由曲面反射镜,得到离轴头戴显示光学系统最终结构。该方法简化了设计流程,计算效率高。基于提出的方法分别设计了单反射面和双反射面的头戴显示光学系统,单反射面系统的出瞳直径为3 mm,视场角19.12°×14.4°;双反射面系统的出瞳直径为8 mm,视场角23°×16°。设计结果表明,用该方法设计的单/双反射面头戴显示系统,其成像质量良好,系统结构紧凑。公差分析表明,引入公差后单/双反射面头戴显示系统最终可实现全视场调制传递函数(MTF)大于0.3 lp/mm和0.35 lp/mm。

摘要：为提高和扩大光谱共焦位移传感器的测量精度和测量范围,并解决像方测量大数值孔径和物方光纤小数值孔径匹配下镜头过长的问题,设计一种紧凑型长轴向色散光谱共焦镜头。色散镜头用5个球面镜片,在工作波长450~700 nm内轴向色散范围达3.5 mm,波长和焦移线性拟合相关系数为0.97,像方数值孔径为0.48,光学长度为135 mm。在相同的镜头参数下,该色散镜头的轴向长度相比普通色散镜头减少了约35%。最后利用设计的色散镜头搭建光谱共焦位移测量系统,并进行性能评估实验。实验结果表明,该系统的最大测量标准差为0.05μm,最大平均绝对误差为0.04μm,实际轴向分辨率优于0.5μm,对被测物的最大测量角约为28.5°。