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面向光学/精密结构的碳化硅制备和应用进展

光学学报 2024年第4期44卷 56-77页

作者：张舸崔聪聪李伟董斌超曹琪周立勋郭聪慧张巍徐传享朱万利包建勋中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室吉林长春130033 长春长光精瓷复合材料有限公司吉林长春130033

碳化硅陶瓷具有力学和热学综合性能优势,已广泛应用于光学/精密结构构件的制造。综述了应用于天/地基先进光电系统领域的碳化硅陶瓷制备技术国内外现状,对比分析了常压烧结、反应烧结、气相转化/沉积三种已获得工程化应用的致密化技术,... 详细信息

碳化硅陶瓷具有力学和热学综合性能优势,已广泛应用于光学/精密结构构件的制造。综述了应用于天/地基先进光电系统领域的碳化硅陶瓷制备技术国内外现状,对比分析了常压烧结、反应烧结、气相转化/沉积三种已获得工程化应用的致密化技术,以及预制体成型技术和材料性能调控方法;介绍了碳化硅陶瓷的增材制造技术,及其应用于光学/精密结构构件制备的进展;总结了超大口径、超高复杂度碳化硅陶瓷的连接技术。阐述了不同应用场景对碳化硅陶瓷的性能需求及其面临的挑战,展望了碳化硅陶瓷制备技术的发展趋势。

关键词：光学材料碳化硅陶瓷光学/精密结构构件致密化技术增材制造连接技术

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基于液晶光栅的大视场红外凝视成像系统设计

光学精密工程 2024年第12期32卷 1824-1835页

作者：赵思霖穆全全李大禹中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室吉林长春130033 中国科学院大学材料科学与光电子工程中心北京10049 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室吉林长春130033

分视场成像的中波红外凝视成像系统为解决红外光学系统很难同时满足大视场、高分辨率的问题,将多个子视场分时成像于同一个探测器中,然而目前该系统还存在着无法实现无缝拼接和液晶快门阵列结构复杂的缺点。本文在此基础上提出了一种新... 详细信息

分视场成像的中波红外凝视成像系统为解决红外光学系统很难同时满足大视场、高分辨率的问题,将多个子视场分时成像于同一个探测器中,然而目前该系统还存在着无法实现无缝拼接和液晶快门阵列结构复杂的缺点。本文在此基础上提出了一种新的基于液晶光栅的大视场中波红外凝视成像系统设计。通过在一次像面处加入矩形视场光阑并将其后移,使原有的0.28°的视场缺失减小至0°,实现图像的无缝拼接。快门阵列采用双光栅快门结构,使其无需复杂的位置关系,并将液晶快门阵列放置于平行光路中,可消除其所引入的色差与偏振带来的主光线间纵向位移影响。采用所提出的方法,设计出了F数为3.25,焦距为130 mm,波长范围为4.25~4.75μm,全视场对角线为10.8°的红外凝视成像系统,其各子视场单元MTF均为0.3@30 lp/mm以上。最终通过仿真结果表明,该系统具有分视场成像的功能,且成像质量良好。

关键词：光学设计冷反射液晶光栅视场分割

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空间望远镜中快摆镜摆动引起的投影畸变效应

光学学报 2024年第11期44卷 66-73页

作者：李龙王维曹智睿孟庆宇李成浩中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院大学

为了提高大口径大视场空间望远镜中精密稳像系统在稳像过程中的稳像精度，本文对精密稳像系统中快摆镜（FSM）摆动引起的投影畸变效应进行了理论分析。从几何光学角度，采用光线追迹法建立了FSM摆动引起的像移计算模型，并从不同视场像... 详细信息

为了提高大口径大视场空间望远镜中精密稳像系统在稳像过程中的稳像精度，本文对精密稳像系统中快摆镜（FSM）摆动引起的投影畸变效应进行了理论分析。从几何光学角度，采用光线追迹法建立了FSM摆动引起的像移计算模型，并从不同视场像点的位移中解析出投影畸变效应；以我国正在建设中的巡天空间望远镜为例，采用CODE V中的光线追迹结果进行交叉验证；根据这一模型，分析了对投影畸变效应可能产生影响的视场大小、FSM行程、FSM到焦面视场中心的距离等因素。结果表明：像移模型的计算精度很高，其计算结果与光线追迹计算结果误差不超过0.01μm；视场大小、FSM行程和中心视场主光线的入射角是影响投影畸变大小的主要因素。本文建立的像移计算模型能够满足实际应用需求，对投影畸变影响因素的分析结果可以为精密稳像系统的设计提供参考依据。

关键词：望远镜投影畸变光线追迹法齐次坐标变换法快摆镜精密稳像

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微振动模拟与主被动隔振一体化实验平台

光学精密工程 2024年第5期32卷 694-703页

作者：秦超周洪海贺帅徐振邦朱赫中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049 中国科学院空间光学系统在轨制造与集成系统重点实验室吉林长春130033

针对遥感卫星地面微振动实验的复杂要求,设计了一种同时具备微振动模拟与主被动隔振功能的一体化微振动实验平台,并对该平台的主、被动隔振性能以及微振动模拟效果分别进行了仿真分析和实验测试。其中,被动隔振由气浮支撑实现,主动隔振... 详细信息

针对遥感卫星地面微振动实验的复杂要求,设计了一种同时具备微振动模拟与主被动隔振功能的一体化微振动实验平台,并对该平台的主、被动隔振性能以及微振动模拟效果分别进行了仿真分析和实验测试。其中,被动隔振由气浮支撑实现,主动隔振采用主动阻尼方法抑制共振峰,微振动模拟采用基于线性系统频响函数的控制策略。实验结果表明,平台前六阶的模态频率分布均小于10 Hz,被动隔振系统能大幅抑制10~200 Hz频段内的地面微振动;主动隔振能够实现14 dB的隔振系统共振峰衰减效果。微振动模拟功能能够有效产生接近星上的单频和多频真实扰动线谱,在特定频谱的扰动模拟实验中,幅值最大误差为5.9%,在误差允许范围内。该多功能一体化实验平台的各项功能均能满足地面模拟实验需求。

关键词：微振动实验有限元分析主动隔振被动隔振微振动模拟

基于Gabor模式的多光谱数字全息显微成像系统

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激光与光电子学进展 2024年第16期 252-260页

作者：李心语冯飞孟浩然崔旭时璐杨萱杨海贵中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学系统先进制造技术重点实验室中国科学院大学北京跟踪与通信技术研究所

为了同时对目标样本的三维空间结构及光谱信息进行分析，提出了基于Gabor模式的多光谱数字全息显微成像系统。即在Gabor同轴数字全息成像系统中引入可调谐多波段LED照明光源，获得目标样本在不同波长下的全息图像，通过采用角谱自聚焦... 详细信息

为了同时对目标样本的三维空间结构及光谱信息进行分析，提出了基于Gabor模式的多光谱数字全息显微成像系统。即在Gabor同轴数字全息成像系统中引入可调谐多波段LED照明光源，获得目标样本在不同波长下的全息图像，通过采用角谱自聚焦和孪生像抑制算法获得目标样本在不同波长下的重建图像，估计样本透射光谱，实现像素级图像配准。使用美国空军（USAF）分辨率板对系统成像性能进行测试，选取不同生物组织样本及不同属性液体进行多光谱实验探究。结果表明，该系统成像分辨率可达7.81μm，不仅实现了彩色全息显微成像，具有良好的色彩再现像，还可以定性区分不同属性液体，在无标记生物样品的成像和检测领域中具有潜在的应用前景。

关键词：成像系统全息重建多光谱成像显微成像 Gabor数字全息

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改进的可见光通信系统PTS峰均比抑制方法

系统工程与电子技术 2024年第7期46卷 2509-2514页

作者：方智敬陈媛王俊杰中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033

针对非对称剪切正交频分复用(asymmetric-clipped orthogonal frequency division multiplexing,ACO-OFDM)可见光通信(visible light communication,VLC)系统中信号的高峰均功率比(peak-to-average power ratio,PAPR)问题,采用部分传输序列(partial transmit sequence,PTS)方法,并结合二进制离散粒子群优化(discrete particle swarm optimization,DPSO)算法,提出一种改进的PTS峰均比抑制方法——DPSO-PTS方法。利用DPSO算法对加权的相位因子进行优化处理,选择最佳的相位因子组合来有效控制PAPR的范围,并对乘加权信息的子块进行求和,从而选择出最小PAPR对应的一组信号进行传输。仿真结果表明,在互补累计分布函数(complementary cumulative distribution function,CCDF)为10-4时,DPSO-PTS方法的系统PAPR降低了约4 dB,且相较于传统PTS方法,系统的复杂度和误码率(bit error rate,BER)性能也得到有效的改善。

关键词：可见光通信非对称剪切正交频分复用峰均功率比离散粒子群优化-部分传输序列方法

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轻小型短波红外自准直高光谱成像仪设计

光学学报 2024年第3期44卷 238-246页

作者：刘洋李博顾国超李寒霜王晓旭中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

随着搭载平台技术的不断进步,对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求,轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题,本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导,得... 详细信息

随着搭载平台技术的不断进步,对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求,轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题,本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导,得到满足高光谱分辨率、小尺寸要求的自准直系统的初始结构,并逐步进行优化。同时,在狭缝处引入一块平面反射镜,对望远系统进行折叠,避免狭缝与探测器干涉,并进一步压缩系统的尺寸。最终设计的成像光谱仪工作波段为1610~1640 nm,F数优于3,在奈奎斯特频率为20 lp/mm时,调制传递函数(MTF)均优于0.8,全视场均方根半径(RMS)均小于7μm,光谱分辨率均优于0.1 nm。光学系统尺寸优于460 mm×150 mm×150 mm。本文研究为短波红外波段高光谱探测成像光谱仪实现轻量化、小型化设计提供了一定的理论基础。

关键词：光学设计成像光谱仪自准直轻小型

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地基光电成像系统中单芯轴的设计与优化

红外与激光工程 2024年第3期53卷 149-161页

作者：祝汉旺薛向尧邵明振张文豹李赏王秀硕王广义杨欣宇中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

在大俯仰角和极端温差条件下,保持地基光电成像系统主镜面形精度的稳定性是关键。文中提出了一种新型单芯轴支撑结构,旨在提高主镜在极端环境下的稳定性和热膨胀适应能力,从而保证面形精度。通过卡式第二定理深入分析单芯轴应力尺寸链... 详细信息

在大俯仰角和极端温差条件下,保持地基光电成像系统主镜面形精度的稳定性是关键。文中提出了一种新型单芯轴支撑结构,旨在提高主镜在极端环境下的稳定性和热膨胀适应能力,从而保证面形精度。通过卡式第二定理深入分析单芯轴应力尺寸链参数对镜面误差的影响,并结合Isight平台和多岛遗传算法进行结构参数优化,实现了结构稳定性与面形精度的平衡。仿真结果表明,在不同环境条件下,主镜的均方根波前误差(RMS)均小于30 nm,峰值差(PV)小于120 nm,满足光学成像的高标准要求。此外,在ΔT=80℃、主镜光轴水平状态下,RMS和PV的优化率分别达到59.99%和23.2%,刚体位移的优化率高达21.96%,体现了设计的高效性。在20℃和40℃的控制室温条件下进行的激光干涉仪测试进一步证实了设计的有效性,以及与仿真结果的高度一致性。该研究为在大温差、大俯仰角条件下的地基光电成像系统中,中口径主镜的支撑结构设计提供了有力的参考,特别是在提高主镜面形精度方面具有重要意义。未来的研究将探讨该结构在更广泛温差和更大口径主镜下的应用,以及进一步优化其光学性能和结构稳定性。

关键词：光电成像主镜支撑有限元分析优化设计单芯轴

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基于扭矩平衡的分时锚定能测量方法

液晶与显示 2024年第5期39卷 561-568页

作者：韩彤彤穆全全彭增辉刘永刚李大禹于洋王启东中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 应用光学国家重点实验室吉林长春130033 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室吉林长春130033

光控取向技术一直是液晶光学器件制备中的关键环节,精确测量光控取向技术中的锚定强度与曝光条件的关系对于提高器件性能至关重要。然而,目前锚定强度的测量方法还存在一定的局限性,比如无法实现对同一取向膜的单点前后多状态的测量等,... 详细信息

光控取向技术一直是液晶光学器件制备中的关键环节,精确测量光控取向技术中的锚定强度与曝光条件的关系对于提高器件性能至关重要。然而,目前锚定强度的测量方法还存在一定的局限性,比如无法实现对同一取向膜的单点前后多状态的测量等,这导致实际应用中的诸多不便。鉴于此,本文提出了一种基于相位检测原理的新型方位锚定能测量方法,通过采用微分归一化拟合的方法同时结合全方位透射特性校正有效消除了起始放置误差,不仅极大地优化了测量过程,使测量误差控制在8%以内,而且大幅提高了测量时效性。理论与实验结果表明,该方法能够快速有效地测量光控取向膜锚定能随曝光参数的变化,具有较高的准确性和稳定性,能够为液晶光学元件的精密制造过程提供实时在线监测手段,对掌握光控取向物理过程和提高制造质量至关重要。

关键词：液晶方位锚定能扭曲角光控取向技术