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。

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。

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。

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。

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。

低成本小型化遥感光学系统设计

随着航空航天成像技术的发展,遥感成像观测系统需求不断增加,为了简化光学系统的加工装配复杂度,缩小光学系统体积,该文提出了一种低成本、小型化遥感成像光学系统设计方法。在全球面镜的基础上,配合氟化钙等低色散材料,设计了一种焦距2000 mm,适用于5.08 cm(2 inch)探测器的光学成像系统,该系统在50 lp/mm处MTF(调制传递函数)优于0.41,体积与R-C系统接近,系统的球面主、次镜避免了在加工装调时使用非球面补偿器,降低了加工装调成本。同时设计了新型百叶窗遮光罩结构,有效避免了传统外遮光罩结构形式体积过大的问题,规避角大于12°后PST(点源透射比)值均小于10^(-6),且光学体积仅为ф227×421 mm^(3),远小于传统外遮光罩形式。该系统具有低成本、结构小型化、轻量化、像质优良、杂散光抑制良好等优点,在工程应用中可以满足航空航天成像系统的使用要求。

基于连续变焦的大口径长焦距的探测成像一体化光学系统设计

为实现空间目标的探测与精确识别,设计了一种基于连续变焦结构兼顾大孔径和长焦距的探测成像一体化光学系统,实现了短焦大视场探测,长焦小视场成像的目的。系统采用里奇-克列基昂(RC)结构加校正镜与变焦结构通过光瞳匹配进行结合的方式,使用两片反射镜压缩光路,系统工作于450~850 nm的光谱范围内,焦距为700~3500 mm;探测端焦距为700 mm,F数为2.5,视场角为0.5°×0.5°;成像端焦距为1400~3500 mm,F数为5~12.5,视场角为0.18°×0.18°。该系统具有探测能力强、成像质量佳、系统总长短、变焦凸轮曲线升角小等优点。

高倍率低波前畸变引力波探测望远镜的光学设计

基于离轴四反的方案设计,从同轴反射系统的理论出发,结合高倍率,低波前畸变,以及高杂散光抑制比等特点对天琴望远镜的原理系统进行了优化设计。实现了在捕获±200μrad视场内系统百倍的压缩倍率,其入瞳直径300 mm,波前误差优于λ/80。提高三四镜之间光线转折角度进行杂散光抑制,在保证高质量波前的条件下,其三镜的偏角优化结果为5.5°,且三镜为平面镜的引入,降低了后期加工装调的难度。为了对原理系统的加工装调以及杂散光抑制能力进行验证,建立了该系统下0.5倍的缩比系统,实现了缩比系统的波前误差优于λ/175。经公差分析,原理系统有90%的累积概率其波前误差优于λ/40,满足引力波望远镜的指标要求。

太赫兹科学与电子信息学报

太赫兹技术在下一代通信、生物成像、质量监测等领域应用潜力巨大,高品质太赫兹波导的研制使轻量化、小型化太赫兹系统成为可能,是推动太赫兹技术发展的关键。本文根据不同基材,将太赫兹波导分为金属波导、聚合物波导及复合波导,对其发展情况进行梳理,并对太赫兹聚合物波导这种高柔性、低成本导波技术进行重点介绍,讨论其不同的导光机制;最后对太赫兹导波技术进行了总结,并针对制约太赫兹波导商品化推广应用的瓶颈问题进行了初步探讨。

“阿秒光学”专题导读

2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)和安妮·勒惠利尔(Anne L’Huillier),以表彰他们“为研究物质中的电子动力学,而产生阿秒激光的实验方法”方面所作出的贡献。这些科学家们做出的开拓性的工作,使超快科学及技术的发展迎来了阿秒时代。阿秒是目前人类掌握的最小时间分辨尺度。阿秒物理从时间范畴研究物质中的电子动力学特性,也就是从时间分辨率角度,把我们认识物质世界的视野提高了一大步。如今人们已经成功将阿秒技术应用于原子、分子、纳米体系甚至固体中超快电子运动的测量和调控研究,为诸多潜在应用开辟了崭新的道路。近几年,我国在阿秒光学等相关领域进展显著,相关研究也进入了国际先进水平。

基于自由曲面的紧凑型大视场离轴三反空间光学系统设计

为缩小空间光学系统的体积,降低遥感卫星的发射成本,根据初级像差理论求解光学系统的初始结构,采用视场和面型的渐进式优化策略设计了一款焦距为2000 mm,视场为5°×5°,F数为12.5,外包络圆直径为750 mm,具有“环形轮廓”的离轴三反光学系统。系统的主镜和三镜采用XY多项式自由曲面,次镜采用Zernike多项式自由曲面。根据自由曲面的面型参数,仿真出三个镜面的二维矢高图。设计结果表明系统的成像质量接近衍射极限,各视场RMS光斑直径最大为8.38μm,小于探测器的2个像元尺寸大小。系统能量集中度高,最大相对畸变量为1.88%,最大波前像差为0.053λ,各视场波像差优于λ/18。公差分析结果表明系统成像质量良好,可以满足各项指标要求。

基于BLOB区域和边缘特征分析的准直图像双光学目标识别方法

针对光路对接准直目标识别算法对双目标粘连状态无法判别的问题,提出了基于二进制大对象(Binary Large Object,BLOB)区域和边缘特征分析的准直图像双光学目标识别方法。首先,对二值化图像进行数字形态学处理,计算全图各BLOB区域的面积、中心、轴长、区域、有效BLOB区域个数等信息。其次,对有效BLOB区域个数大于1的完全分离双目标准直图像,统计各BLOB区域中心分别为位于两个面积最大的BLOB区域内的BLOB数量,数量小的候选BLOB区域为主激光目标,数量大的候选BLOB区域为模拟光目标。然后,对于有效BLOB区域个数等于1的待识别图像,从左、右、上、下4个方向分别提取模板边缘图像的有效坐标序列和待识别边缘图像坐标序列,搜索有效坐标序列和待识别边缘图像坐标序列的最大相关系数对应的有效坐标序列。当4个方向的相关系数全部大于0.95时,待识别图像为模拟光目标;当4个方向的相关系数都小于0.95时,待识别图像为主激光目标;否则待识别图像为粘连图像。实验结果表明:提出的双光学目标识别算法,不仅能够识别完全分离的模拟光目标和主激光目标,误差小于3个像素,处理时间小于1 s,而且能够判别处于粘连状态的光学目标和单个独立的光学目标,满足光路对接准直图像识别算法对于自适应性、精度和效率的要求。

高精度线扫式光谱共焦位移传感器光学系统设计

光谱共焦位移传感器是一种新型几何量精密测量传感器,具有高精度,高效以及非接触的技术优势,目前被广泛应用于微观或宏观几何量的精密测量。传统的几何量测量传感器采用接触式机械探针,对物体表面造成损伤,难以满足现代化制造业无损测量的需求。不同于传统的光学系统需要校正轴向色差,光谱共焦位移传感器利用轴向色差建立位移和波长之间的关系。然而目前针对光谱共焦位移传感技术的研究大多集中于点扫式,仅能获取单个点位的几何量信息,在实际应用中需要较大区域的精密测量,故而效率受到极大的限制,并且对后端数据处理要求较高,数据重构较为繁琐。针对该技术弊端,设计出一种线扫式光谱共焦位移传感器系统,达到了亚微米的分辨率。对线扫式光谱共焦位移传感器进行原理分析,开展了大量程色散物镜、高光谱分辨率成像光谱仪的详细设计。通过对色散物镜和成像光谱仪光路结构的优化及像差的平衡,使得全系统各视场RMS半径小于5.5μm,得到了很好的成像质量。结果表明,全系统在扫描线长10 mm,轴向量程范围3 mm,分辨率达到0.8μm。该研究在高效、高精度几何量精密测量领域具有广阔的应用前景。

RC光学系统的精密装调（英文）

针对焦距为560mm、通光口径为150mm、系统同轴度优于0.008mm的RC光学系统,提出了一种实现其高同轴度的精密装调方法.该系统的承力筒材料为碳/碳,适用于平面加工,对于圆周加工的精度较低,因此采用传统的光学定心加工无法保证其精度要求,而采用光轴替代工装以及立式装调的方法可保证系统较高的同轴度.通过干涉自准检验的方法对系统元件进行进一步精密调整,最终系统的波像差均方根达到0.05λ.

中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置

中国首次火星探测任务将于2020年实施,科学目标和有效载荷配置是工程任务的重要顶层设计之一。简要回顾了国外已实施火星探测任务的主要科学目标,介绍了我国首次火星探测任务科学目标、有效载荷配置,分析了科学目标的创新性和特色。

缅怀先辈 继往开来——纪念中国光学事业开拓者之一龚祖同先生诞辰100周年

适逢中国科学院西安光学精密机械研究所老所长、《光子学报》创始人龚祖同先生诞辰一百周年(1904～2004),特邀现任所长、党委书记相里斌同志撰写此文。

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。

宽光谱可见-短波红外成像光学系统设计

针对目前的红外成像光学系统在机器视觉工业检测领域难以同时实现成像质量好和结构紧凑设计的问题,提出了一种宽光谱可见-短波红外成像光学系统的设计方法。运用光学设计软件ZEMAX设计了一种适用于可见光和短波红外的红外成像光学系统。该系统由7组10片透镜组成,利用多组双胶合透镜来消色差,在第15个面使用非球面提高成像质量,最后对系统的成像质量进行研究。设计结果表明:该系统的的工作波长为0.4~1.7μm,全长为79.6 mm,F数为2.8,焦距为25.7 mm,畸变小于1.4%,调制传递函数值在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.4,接近衍射极限,成像质量良好。该系统可以对光滑表面的装配件进行缺陷检测,具有结构简单、易于加工装调的优点,有助于高效地完成机器视觉检测。

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。