中国科学院西安光学精密机械研究所

中国科学院西安光学精密机械研究所（简称西安光机所）位于古都西安，创建于1962年。是中国科学院在西北地区最大的研究所之一。西安光机所现有职工800余人，半数以上是高学历的研究人员，其中有院士1人、博士生导师19人、研究员40人、副研及高级工程师126人。

中国科学院西安光学精密机械研究所机构知识库建设与实践

在分析中国科学院西安光学精密机械研究所(简称西安光机所)机构知识库(OPT-IR)建设需求的基础上,设计西安光机所机构知识库的建设方案,即在完成机构科研成果产出数据存缴的基础上,依据知识服务中OPT-IR数据组织需求,设计满足科研支撑服务需求的数据整合、存储和知识服务策略,解决了长期以来人工统计科研成果产出问题,为实现面向西安光机所学术科研活动的科研支撑服务提供数据依据,以提高研究所科研成果的应用价值。

光学元件脉冲离子束超精密智能修形策略(封面文章·特邀)

IBF在实现纳米精度的材料去除时,对加工环境及机床精度要求很严格。提出了一种新的脉冲离子束(Pulse Ion Beam,PIB)加工方式,解放了机床的动态性能对加工的影响,避免了连续束流带来的额外去除层。首先对PIB的实现原理进行了说明,验证了其良好的加工性能及出色的材料去除分辨率。其次针对新工艺,仿真分析了PIB加工的优势区间,制定了基于误差分布梯度的加工策略,并利用蚁群算法进行了加工轨迹优化,减少了57.7%的无效路径。最后利用PIB以及新的加工策略,在90 mm的有效口径内实现了0.552 nm精度的光学表面获取,验证了新加工系统和策略的可行性。该研究扩展了离子束作为一种超精密加工方法的应用场景,可以将其作为需要大面积去除微量材料的首选方法。

天基光学成像系统像移研究及补偿技术发展现状及趋势(特邀)

天基各类光学系统在成像过程中,受卫星轨道变化、姿态角变化等因素以及跟踪速度误差、平台及各运动部件颤振的影响会造成像移。像移会导致图像分辨率降低,图像模糊,严重影响最终的图像质量,因此如何抑制动态像移的影响已成为获取高分辨率清晰图像的瓶颈。目前已有的研究基本都是从单独的应用领域去分析像移的产生因素,没有系统全面的将天基光学系统像移的产生和补偿技术进行综合呈现。本文在简述像移影响机理及像移补偿技术的基础上,对天基成像按照用途分类,详细介绍近年来国内外在对地遥感、空间天文探测、火星探测和空间目标探测成像领域像移影响及补偿的研究进展。通过对国内外研究现状的跟踪分析,预测天基光学成像系统像移研究的发展方向,进一步提升对我国空间光学技术发展方向的理解,为我国航天光学技术和装备的发展提供指导。

感应读出延时线阳极光子计数探测器研究

针对空间天文、生物荧光、光谱测量等领域对高灵敏、大面阵探测器的应用需求,研制出基于感应读出方式的延迟线阳极光子计数成像探测器。该探测器由微通道板、延时线阳极以及读出电路组成,其中延时线阳极的性能直接影响探测器的成像质量。作为一种电荷感应读出延时线阳极,该阳极利用信号到达的时间差解码入射光子的位置,可获得高的探测灵敏度和大的成像面积,同时简化了工艺难度并提升了可靠性。设计了感应读出延时线阳极,理论分析了探测器不同设计参数及材料对感应电荷量的影响,提出了解决异层电极间感应电荷量难以平衡的方法。据此研制出了收集面积为40 mm×40 mm的位敏阳极。测试结果表明该阳极信号传输衰减小于10%,极间串扰小于3%。利用该阳极进行了光子计数成像实验,获得了优于150μm的空间分辨率,为研制可应用于天文紫外光谱测量的大面阵、高灵敏探测器提供了理论依据及实验指导。

天基空间态势感知数据仿真研究进展

空间态势感知(Space Situational Awareness,SSA)数据仿真可以为空间监测设备及态势感知算法(包括空间目标检测、跟踪、识别和表征)的开发、测试和验证提供关键性数据支持,在空间态势感知能力建设中发挥重要作用。本文以天基空间态势感知光学数据仿真为研究对象,给出了SSA数据仿真的研究目的和主要研究内容,详述了SSA光学成像仿真的典型研究方法与过程。介绍了国内外相关工作的研究现状与工作进展,涵盖双目视觉传感器、激光雷达、红外传感器、可见光望远镜和恒星敏感器等不同光学传感系统的成像建模与仿真工作成果。分析了空间态势感知数据仿真研究的发展趋势,为未来SSA数据仿真研究思路与方法提供参考。

可见-短波红外宽波段30倍连续变焦光学系统设计(特邀)

可见-短波红外宽波段共焦面变焦光学系统是实现光电系统高功能密度化的重要手段,但光学材料在该波段范围内表现出较大的色散特性差异,给相应波段连续变焦系统的设计造成较大困难。针对该问题,文中从连续变焦系统设计模型出发,结合宽波段光学系统设计中的消色差条件,论述了一种宽波段变焦系统中各组元材料选择的方法,指出了胶合元件在宽波段光学系统设计中的特殊用途,设计完成了一款宽波段连续变焦光学系统,该系统F≤5.5、焦距范围为10~300 mm、水平视场38.8°~1.25°、工作波段范围为0.48~1.7μm,适配1080 P、像元3.45μm的InGaAs探测器,可通过切换滤光片实现多波段成像,还可通过切换机构或分色棱镜实现彩色/透雾/激光/微光等不同功能的共孔径集成。所述系统透镜总数为18片,采用了7种普通光学玻璃材料,总长不大于190 mm,在整个变焦范围内,均表现出优良的成像质量。

基于光谱图像识别蔬菜表面农药残留物的研究

蔬菜表面农药残留对公众健康构成重大威胁,开发无损且快速的检测技术已成为食品安全领域亟待解决的关键问题。提出了结合高光谱图像与深度学习技术的蔬菜表面农药残留检测方法,旨在提供一种高效、快速的蔬菜筛查方案。研究以菠菜作为模型作物,针对敌敌畏与吡虫啉两种广泛使用的农药,运用高光谱成像技术捕捉作物表面光谱特征,再通过一维卷积神经网络(1DCNN)的深度学习模型进行数据解析,成功实现了农药残留的非接触式、高精度检测。结果显示,该方法在农药残留量预测上展现出优异的性能,与国家标准检测结果相比,具有高度的线性关系,可为农产品农药残留的无损、高效检测提供具有推广应用价值的解决方案。

基于强化学习的空间引力波探测望远镜系统外杂光抑制研究

引力波望远镜其收集的空间目标光信号能量远小于杂散光能量,为了保证引力波望远镜的正常工作,需要保证较好的杂光抑制效果。又由于散射光线的不确定性,光机系统本身的复杂性,杂光抑制方案的确定往往需要复杂的数学公式计算以及丰富的经验与充足时间进行仿真迭代。本文提出了一种基于强化学习的杂光抑制策略,针对空间引力波探测望远镜系统中的环境杂光问题,采用蒙特卡洛光线追迹方法进行分析和处理。通过制定有效的杂光抑制措施,实现了对该系统中杂光的有效控制。仿真结果验证了该方法在空间引力波探测望远镜系统中杂光抑制方面的优异性能,展示了其具有良好杂光抑制效果的潜力。这一研究为解决空间引力波探测和其他高精度光学系统中的杂光问题提供了一种高效、灵活的新方法,具有广泛的应用潜力。

海洋湍流下双拉盖尔-高斯涡旋光束的闪烁指数与误码率研究

采用功率谱反演法模拟了同轴叠加产生的双拉盖尔-高斯涡旋光束(Double Laguerre-Gaussian Vortex Beam,DLGVB)在海洋湍流中传输时的光强和相位分布,仿真分析了DLGVB光束在不同海洋湍流参数下的闪烁指数以及在基于开关键控调制的水下光通信系统中的通信误码率。结果表明,随着湍流动能耗散率的减小,盐度温度波动平衡参数、温度方差耗散率及传输距离的增加,闪烁指数逐渐增加;随着湍流动能耗散率以及拓扑电荷差值的增加,误码率减小。在海洋湍流环境下,使用DLGVB光束进行传输可以抑制海洋湍流带来的干扰,选择最佳的拓扑电荷差值,可以有效提高传输通信质量及通信系统容量。本文研究结果对涡旋光束及其叠加态在海洋湍流下传输特性研究及水下光通信系统持续扩容的发展需求方面具有重要的参考价值。

星载望远镜消光材料积分散射特性测试研究(英文)

在散射理论的基础上,介绍了一种星载望远镜消光材料积分散射特性测试装置,实现对星载望远镜消光材料散射特性更为全面的测量。对积分散射理论、系统构造、系统性能进行了阐述。对系统进行建模仿真分析,得到结论:消光材料的散射特性在不同点位和入射角下存在明显差异,系统能够测量多种条件下消光材料的散射特性,并得到消光材料全面的散射特性分布。研究结果为根据消光材料特性进行针对性设计提供了更全面、更准确的散射特性分布,为杂散光的测量与抑制、高性能光学仪器的研制与装调以及计算光学等领域的研究提供了参考。为空间引力波探测星载望远镜系统的材料选型、特性研究、杂散光分析与抑制提供了基础。

二维高通量光学显微成像技术研究进展

传统光学显微镜的视场与空间分辨率是相互制约的,如何突破这一限制,同时能兼得高分辨率和大视场的高通量成像,成为当前显微成像技术领域的主要研究方向之一。该科学问题的突破将有助于加速科学研究、提高生产制造能力、为医疗辅助诊断提供新工具。本文介绍比较了大孔径物镜制造与曲面探测技术、扫描拼接技术、傅里叶叠层显微成像技术、宽场结构光照明技术和无透镜片上显微成像技术在内的5种高通量显微成像技术。分析了高通量显微成像技术研究的当前现状、所面临的问题以及未来的发展趋势。分析指出,计算光学成像技术正逐渐成为目前高通量显微技术的主要手段,通过计算绕过或者突破光学系统的物理限制将开辟高通量显微成像新时代。

基于单目视觉的火箭回收高度测量技术研究

精确测量火箭实时高度是完成火箭回收任务的重要前提之一,为了实现对火箭高度的实时测量,本文对基于单目视觉的火箭回收高度测量技术进行了研究。首先针对火箭回收过程中的烟雾场景,在何凯明暗通道去雾算法的基础上,结合视网膜大脑皮层(Retinex)理论对透射率函数进行改进,从而提升了去雾算法对不同雾环境下的适应性。其次,针对火箭回收中靶点的特性,提出了适用于靶点特征提取的算法,并设计实验验证了算法的可行性与可靠性。针对火箭与地面靶点的几何特性构建了数学模型,并设计实验定量分析了高度解算算法的可行性。最后定量分析了不同雾浓度下不同去雾算法对高度测量结果的影响。仿真和实物实验结果表明,根据本文提出方法计算得到的火箭高度解算精度在0.5 m以内,可满足火箭回收中对高度测量的需求。

多波长与横模可切换掺镱光纤激光器的研究

设计并制备了一种具有环形掺镱纤芯的光纤波导结构,并提出了一种基于该环芯掺镱光纤和少模光纤布拉格光栅的多波长与横模可切换光纤激光器。在这种光纤激光器中,只需简单调整腔内的偏振控制器,就可以实现单波长和双波长的激光稳定振荡。当激光器在单波长下工作时,可以切换两种横模输出,包括LP01模和LP11模,两种模式都获得了小于0.08 nm的3 dB窄线宽和大于45 dB的高边模抑制比,中心波长和光强的波动分别为±0.01 nm和±1 dB。试验表明:该环芯掺镱光纤有助于LP11模获得的增益高于LP01模,LP01模式激光的斜率效率为34.34%,而LP11模式激光的斜率效率高达49.09%。该光纤激光器可以在模分复用系统和激光加工等领域发挥重要的作用。

可见光脉冲输入下微通道板光电倍增管的动态范围研究

结合理论分析与实验测试,研究了在可见光脉冲输入条件下频率以及第二片微通道板与阳极之间电势差对微通道板光电倍增管动态范围的影响。研究结果表明:随着信号光脉冲频率的增大,微通道板壁面电荷补充不充分致使阳极输出偏离线性,并逐渐趋于饱和。当输入可见光脉冲宽度为50 ns,频率为500 Hz时,阳极的最大线性输出达到2 V(即40 mA);当输入光频率增加到1000 Hz,阳极输出在1 V(即20 mA)时线性偏离程度达到10%以上;当输入光频率增加到5000 Hz,阳极输出在0.3 V(即6 mA)时线性偏离程度达到约15%。随着第二片微通道板与阳极之间电势差的增大,阳极最大线性输出电压呈现波动性变化而非与其呈线性关系。当第二片微通道板与阳极之间的电势差在200 V左右时,阳极线性输出电压达到峰值,随着电势差不断增大,阳极线性输出电压开始出现波动,在电势差为500 V左右时达到第二个峰值,这主要是由于极板间电场强度与空间电荷效应共同作用的结果。该研究可为提升微通道板光电倍增管的动态范围提供指导,便于其应用于强辐射脉冲测量、激光通信等领域。

楔块式自动调平机构设计与控制策略研究

针对目前使用的经纬仪调平机构人为手动操作方法存在的调平耗时长、结构易损和难调平问题,设计了一种具备稳定自锁特性的大行程、高分辨率楔块式自动调平机构,提出了楔块式机电调平组件联动的并行调平控制策略。实验结果表明,所设计楔块式自动调平机构可实现调平行程±0.25°范围内的经纬仪调平,且调平角分辨率<0.01″。同时,基于并行调平控制策略,将绕X轴和Y轴的垂直轴轴线倾斜量从334″和-248″调整至2″误差范围内的调平耗时仅为17 s,相比于串行调平控制策略,调平时间显著缩短,调平效率明显提升。

PEG含量对多孔膜光学带隙及激光损伤特性的影响

采用溶胶凝胶技术结合旋涂法,在石英基底及Si基底上分别制备了孔隙率不同的TiO_(2)和SiO_(2)薄膜,并对两者的光学及激光损伤特性进行了研究。根据透射光谱曲线计算出薄膜的光学带隙,发现光学带隙随着孔隙率的增大而增大,TiO_(2)薄膜的光学带隙大小为3.75 eV~3.97 eV,SiO_(2)薄膜的光学带隙大小为3.52 eV~3.78 eV。椭偏测量结果表明,当聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)质量分数从0、0.8%、4.0%提高至8.0%时,在波长1064 nm处,TiO_(2)薄膜的孔隙率从11.5%、14.1%、30.9%增大至38.7%,折射率从2.0635、2.0165、1.7481降低至1.6409;SiO_(2)薄膜的孔隙率从4.04%、4.6%、5.7%提升至13.9%,折射率从1.4386、1.4358、1.4204降低至1.3879。除PEG质量分数为0.8%的TiO_(2)薄膜外,所有TiO_(2)和SiO_(2)薄膜样品的消光系数均优于10-3,说明薄膜的吸收较小。薄膜的激光损伤阈值(laser induced damage threshold,LIDT)受孔隙率的影响较大,孔隙率越大,TiO_(2)薄膜的激光损伤阈值越高,其值最高可达16.7 J/cm~2;而SiO_(2)薄膜的激光损伤阈值较未添加PEG的激光损伤阈值并未提高,当PEG质量分数从0.8%增加到8.0%时,SiO_(2)薄膜的激光损伤阈值提高了1.9 J/cm~2。总而言之,提高孔隙率有助于提高薄膜的抗激光损伤性能。

星载迈克尔逊干涉仪直线动镜的柔性支撑结构研究

针对传统迈克尔逊干涉仪动镜支撑结构存在成本高、寿命低、维护难度大、大行程大负载下导向精度差的问题,设计了一种高精度迈克尔逊干涉仪角镜柔性支撑结构,具有低成本、高精度、大负荷的优点。提出以柔性支撑结构的承载能力、行程和导向精度为优化目标的结构刚度模型,选择材料和尺寸参数,开展运动结构设计。有限元分析结果表明该支撑结构在1.5 kg的负载(角镜)下,当行程达到4.5 mm时,柔性结构的最大拉应力约为169 MPa,结构安全裕量为1.98,角镜竖直方向的寄生位移小于4.1μm。专项测试结果显示,支撑结构承载1.5 kg负载(角镜)在4.5 mm行程内,竖直方向的寄生位移小于4.7μm,直线度的均方根误差为1.5μm,与设计结果较吻合,可以满足星载迈克尔逊干涉仪对高精度直线动镜的支撑要求。

大气压氦气预电离直流辉光放电二维仿真研究

基于二维流体模型,研究了大气压下预电离对短间隙和长间隙直流辉光放电的影响.对于两种放电,随着预电离的增强,带电粒子分布沿着放电方向逐渐向阴极偏移,使得阴极位降区不断收缩.从垂直放电方向来看,正柱区、负辉区和阴极位降区的宽度都不断增大,电子、离子密度的分布更加均匀.对于电场而言,随着预电离的增强,阴极位降区电场的纵向分量分布逐渐向阴极收缩,阴极附近的电场整体降低且分布更加均匀.电场的纵向分量分布逐渐减小,同时电场区域逐渐向壁面收缩.维持电压和放电功率都明显地降低.此外,随预电离的增加,短间隙放电中的压降始终集中在阴极位降区,而在长间隙放电中的压降由阴极位降区逐渐转移至正柱区.仿真结果表明,预电离能够有效增强放电均匀性,并降低放电维持电压和能量消耗.该工作对进一步优化电极配置和等离子体源的运行参数具有重要指导意义.