1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
拉曼光谱是一种新型且强大的月球与深空探测工具。介绍了深空拉曼光谱技术的原理及技术特点，梳理了国际上深空拉曼光谱技术的发展现状，介绍了目前国际上在研/在轨的5台拉曼光谱载荷的设计情况。在此基础上，对深空探测拉曼光谱技术的关键问题进行了分析总结，对该技术的下一步发展进行了展望。
光学设计 光谱测量 拉曼光谱 月球与深空探测 激光光谱 光栅光谱仪
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
变焦系统中，动组间相对位置的变化会导致各镜组的初级像差特性发生变化，环境温度的变化还会导致各焦距位置热差的改变，给无热化连续变焦系统的设计造成较大困难。针对该问题，从光学系统像差模型出发，将变焦系统像差分为定组像差、动组内像差和动组间像差三类，并结合变焦系统的消色差和消热差模型，讨论了无热化连续变焦光学系统的设计原则，及变焦系统设计中各组元的光焦度分配和材料选用方法，给出了一个宽波段连续变焦光学系统设计实例，该系统F数为5、焦距范围为8~120 mm、焦面对角线长6.2 mm、波长范围为0.48~0.68 μm和0.7~0.9 μm。所述系统仅采用了七种普通光学玻璃材料，透镜总数12组16片，总长仅90 mm，在−40~60 ℃范围内，变焦全程均具有较好的成像质量和公差特性。
光学设计 连续变焦 宽波段 无热化 光学透雾 optical design continuous zoom wide band athermal optical dehazing 红外与激光工程
2021, 50(9): 20210090
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
针对现有水下光学系统中存在的主要不足，就某大视场水下连续变焦光系统指标要求，从水下光窗选型、光窗畸变、色差等的影响入手，分析了水下平板光窗引入的相对畸变和倍率色差特性，给出了相应的应对措施。结合水下工况对包络和工作距的要求，给出了一种三组联动的变焦系统设计模型和相应调跟焦组件的设计方法；通过在PNNP型结构中引入像差稳定镜组，对动态像差做稳定和补偿，改善了光学结构的像差校正能力，同时规避了凸轮曲线断点问题；通过在物方侧镜组中设置调跟焦镜组，保证了变焦全程对近景目标的清晰成像。完成了一个4 K水下大视场连续变焦光学系统设计，该系统工作距为0.5 m~inf，设计波段为0.48~0.64 μm，采用3840×2160高灵敏CMOS面阵探测器，像元大小为2 μm，变焦全程F数最大恒定为2.8，可实现全视场5.9°~62°、10倍以上连续变焦功能，具有较短的变焦行程、平滑的变焦轨迹、优良的成像性能等优点。
海洋光学 水下光学 变焦镜头 大变倍比 光学设计 ocean optics underwater optics zoom lens large zoom ratio optical design 红外与激光工程
2021, 50(7): 20200468
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
根据传统同轴反射式次镜支撑结构特点, 建立了以传统次镜支撑结构外包络为基础的次镜支撑待优化模型, 并采用变密度拓扑优化方法对该模型进行优化设计.根据拓扑优化结果设计了遮拦比为0.085的同轴反射式次镜支撑结构.有限元仿真结果表明: 在结构遮拦比、质量相同的情况下, 优化后同轴反射式次镜支撑结构的结构基频和结构刚度相较于传统三翼和四翼结构均有显著提高.加工了优化后的次镜支撑结构, 并进行了随机振动试验.试验结果表明: 优化后的次镜支撑结构基频为470 Hz, 与有限元仿真结果477 Hz的相对误差在2%以内, 验证了有限元计算模型的可靠性和真实性.该次镜支撑结构适用于需要较低遮拦比和较高刚度的同轴反射式光学系统中.
次镜支撑 拓扑优化 变密度法 模态分析 有限元分析 随机振动 Secondary mirror support Topology optimization Variable density method Modal analysis Finite element analysis Random vibration
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 西安电子科技大学, 陕西 西安 710071
嫦娥三号全景相机具有彩色成像模式, 在发射前需先进行彩色定标, 样本真值的获取是彩色定标的前提。 传统方法获取的颜色真值在色差值和视觉感知上都与实际值存在明显的偏差。 若直接采用该颜色值作为真值进行彩色定标, 影响定标后的色差大小和定标校正后颜色的人眼视觉感知效果。 为探索更好的颜色真值获取方法, 利用实验室内测得的D65定标光源的相对光谱功率分布, 重新定义了转换矩阵中的白点坐标, 然后基于CIE颜色计算公式, 根据格拉斯曼颜色混合定律, 对XYZ与sRGB颜色空间之间的转换矩阵进行了修正, 提高了样本真值获取的准确度。 另外利用修正后的转换矩阵对sRGB空间的三刺激值曲线进行了重新计算, 对标准转换值偏离实际值的原因进行了分析。 通过地面试验验证, 相对于传统样本真值获取方法, 利用该真值获取方法定标后A, B两相机的色差值分别降低了0.8和0.73; 定标矩阵校正在轨图像时, 色差分别降低了26.50%和34.47%, 且校正后的颜色与人眼的视觉感知效果更接近。
嫦娥三号 颜色真值 光谱功率分布 三刺激值 彩色定标 Chang’E-3 truth color values Spectral power distribution Tristimulus values Color calibration
1 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京 101408
讨论了红外光纤传像束的学术意义和制备工艺，制备了一种硫系玻璃红外光纤传像束并进行了专门的性能测试。选用As40S58Se2、As40S60作为芯棒和皮管玻璃组分，采用管棒法拉制成纤，利用人机结合的排丝工艺制备出了单丝直径为50 μm，纤芯直径为40 μm，576元正方形排列的红外光纤传像束。搭建了相应的实验测试平台， 对光纤束排列规则度、断丝率、光学效率及传像束引起系统调制传递函数（MTF）下降量等指标进行了测试。测试表明，传像束断丝率为2.7%，衰减损耗低于0.5 dB/m，光学效率约为31%，在红外光纤传像系统中光纤传像束引起的MTF下降量小于10%。最后，利用研制的红外传像束完成了红外成像实验，结果表明，红外光纤传像束能够实现良好的红外成像。
红外光纤传像束 红外成像技术 光学效率 硫系玻璃光纤 调制传递函数 infrared imaging fiber bundle infrared imaging technology transmission efficiency chalcogenide glass fiber MTF 光学 精密工程
2017, 25(12): 3137
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 西安空间无线电技术研究所, 西安 710100
根据激光通信系统中捕跟和通信探测器的实际应用情况, 分别使用消光比和单像元信噪比两种方案评价卡塞格伦光学天线的收发隔离能力,提出了在卡塞格伦光学天线次镜打孔和增加光陷阱的方式抑制后向散射的方法.推导得出当卡塞格伦光学天线次镜开孔的孔径比为0.1~0.3时不影响发射效率, 测试结果表明: 改进后的卡塞格伦光学天线收发隔离度优于－40 dB, 并满足激光通信系统光学天线捕跟和通信的使用要求.
光通信 杂散光 隔离度 消光比 发射效率 Optical communication stray light Isolation Extinction ratio Emission efficiency 光子学报
2017, 46(10): 1023001
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 西安电子科技大学, 西安 710071
基于光场的两平行平面表示方法, 针对光场相机两参考平面间的共轴空间距离变换、离轴空间距离变换、轴旋转和沿轴旋转以及透镜作用等对光线描述方式的影响, 给出了相应的光场矩阵变换方程, 并利用这些方程, 建立了光场相机的成像模型、采样模型及辐射传输模型.从光场共轴空间距离变换的观点出发推导出可实现不同点清晰成像的数字重聚焦公式.利用所建立的模型, 计算机仿真生成了目标景物, 并用所建立模型对生成景物进行了数字重聚焦, 验证了数字重聚焦后的图像与直接聚焦图像的一致性.
光场相机 微透镜阵列 矩阵变换 数学模型 Light field camera Micro-lens array Matrix transformation Mathematical model
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
干涉型成像光谱仪是嫦娥1号(CE-1)卫星的重要设备, 用于分析月球表面物质成分含量及其分布, 目前所得到的2B级科学数据的光谱分辨率为325 cm-1, 转化为波长分辨率表示后各谱段不一样, 第一个波段为7.6 nm, 最后一个波段为29 nm, 这引入两个问题: (1）与地面波谱库中用于标定和比对的光谱分辨率描述方式不一致; (2）由于波段窄而进入的信号少, 造成短波光谱信噪比差。 基于CE-1干涉成像光谱仪光谱重建模型, 讨论了波长分辨率与截止函数的关系, 提出了一种随波长及波长分辨率变化的可调截止函数, 并选取相应Sinc函数进行切趾, 实现了波段覆盖范围内任意指定波长分辨率的光谱数据重建。 利用该方法对CE-1号在轨0B数据进行处理, 得到了29 nm等波长高光谱图像, 采用光谱信噪、 主成分分析和无监督分类等方法对重建结果与同区域2级科学数据进行比对, 结果表明: 短波波段光谱信噪比提高了4倍, 平均提高了2.4倍, 基于光谱特征的分类结果一致, 数据质量大大改善。 EWSR方法的优点有: (1）在保持光谱信息量的情况下, 虽然牺牲部分光谱分辨率, 但提高短波波段的光谱信噪比; (2）实现了在波段覆盖范围内任意指定波长位置或任意设定波长分辨率的光谱数据重建。
嫦娥一号 干涉成像光谱仪 等波长光谱分辨率 光谱重建 傅里叶变换 Chang’E-1 Interference imaging spectrometer Equal wavelength spectrum resolution Spectral reconstruction Fourier transform
