應用光學
五十年代以前，中國的光學研究工作和工業生產非常薄弱，隻有為數很少的科學家做過一點基礎性工作，也隻有極少數幾個光學工廠生產一點較簡單的產品。
一九五二年，在中國科學院成立了中國第一個光學研究機構——儀器館。在王大珩、龔祖同領導下，在應用光學和光學儀器的廣泛領域開展研究工作。以後，中國科學院的光學研究機構增長很快，至七十年代初，共有六個光學專業研究所，即長春、西安、上海和安徽四個光學精密機械研究所，上海技術物理所和在成都的光電技術研究所。這支隊伍擁有中級以上科技人員2000餘人，在中國光學事業中起著重要的作用。
在五十年代，長春光機所（儀器館）建所之初，就著手建立光學的學科及技術基礎。如光學設計、像差理論和像質評價，光學加工和光學係統檢驗技術，光學玻璃熔煉和分析技術，光學晶體生長和檢測，光學薄膜技術，光度和光學計量，光電和熱電探測器件，精密刻劃和光柵等。在這些技術和單元的基礎上，各種較高級的光學儀器逐步研製成功。至六十年代初，長春光機所研製的紅外分光光度計、萬能工具顯微鏡、電子顯微鏡、紅外夜視儀、晶體譜儀、1秒精度經緯儀等，標誌著光機電綜合技術已達到相當水平。六十年代以後，為滿足國防建設的需要，幾個光學專業所研製了多種重大光學設備。例如：為導彈試驗靶場研製了大中型精密跟蹤電影經緯儀和彈導像機，為核爆炸試驗研製了高速像機，為航空和航天偵察、遙感研製了多光譜像機和多光譜掃描儀，紅外掃描像機和紅外地平儀。
五十年代建立的光學技術基礎，為六十年代的激光研究創造了條件。在國外報導激光器出現後才一年多一點的時間，長春光機所即研製出了中國第一台激光器——紅寶石激光器，並在國內開拓了這個新領域。此後，由於注意了發展相應的學科和技術，使得激光器的研製和激光應用有較快的發展。八十年代初，在中國科學院有關研究所建立起來的10瓦高功率釹玻璃激光等離子體實驗裝置、千瓦級二氧化碳激光器、10千瓦級連續化學激光器、兆周級環形染料激光器等，標誌著中國的激光技術已達到較高的水平。
光學技術基礎的建立和發展
一、光學設計
一九五二年，在王大珩領導下，集中了一批青年，在儀器館建立了光學設計組，後來不少人成為國內知名的光學專家。光學設計組成立初期，主要致力於各類光學係統的設計，後來隨著國家光學工業和光學研究的發展，在完成大量光學設計工作的基礎上，參考國外的理論和經驗，在光學設計理論和方法方麵，逐步形成了自己的體係。王之江著《光學設計理論基礎》一書中進行了總結，主要包括：由波差理論導出了軸對稱係統像差的一般表示式和各級獨立的像差數，研究了物麵像差和光欄像差間的關係，導出了像差分布理論和一套完整的光學公差計算公式，研究討論了衍生高級單色像差及衍生高級色差，研究了柱麵係統像差特性，提出低對比分辨能力作為評價指標，導出了大像差係統公差的確定方法，運用初級像差理論，對一些典型的物鏡求解初始結構。對於一些特殊用途的光學係統，如大型折反射係統，需要校正二級光譜和需要考慮環境溫度和氣壓變化影響的長焦距攝影物鏡，要求照明均勻度高的光學積分器以及各種光譜儀和幹涉儀光學係統等，研究出相應的設計方法和有關的評價標準。另外，在變焦距係統設計工作中，也已建立了一套完整的設計方法。
長春光機所早在六十年代末就開始應用電子計算機進行光學設計。在七十年代初，用三年左右時間編製出一套較完整的光學設計程序。上海光機所、光電所、西安光機所、技物所、南京天文儀器廠也都先後編製了有關的光學設計程序。長春光機所於一九八四年編製出一套適於M—160H大型電子計算機的光學設計程序包。
在光學係統的設計方麵，除了大量的常規的光學設計，如望遠物鏡、顯微物鏡、目鏡、攝影物鏡以及投影物鏡的設計外，還有不少具有特色的設計成果。如長春光機所於六十年代設計的大型折反射係統，光電所設計的攝影測量物鏡。南京天文儀器廠設計的帶有像場改正鏡的反射式2.16米天文望遠鏡，長春光機所設計的用於電影攝影、電視攝像、照像、放映等多種倍率的變焦距物鏡以及光譜儀、幹涉儀、漢字信息處理等光學係統。
二、光學工藝
五十年代初，儀器館就開始加工顯微鏡、沼氣幹涉儀的光學零件和口徑在50毫米以下的平麵及球麵，用於初級的工程測量儀器，後來由於研製較高級的光學儀器的需要，加工方法、設備和檢測手段不斷更新。如將刀口檢驗法普遍應用於工藝檢驗過程，使得光學工藝水平不斷提高。至六十年代中期，長春光機所已能加工口徑為625毫米，麵形精度達λ/20的鏡麵和由幾十個鏡麵組成的折反射式望遠光學係統，攝影分辨率達50對線／毫米。另外還發展了大相對孔徑、高精度非球麵鏡和柱麵鏡的加工技術。紫金山天文台從五十年代末開始，為研製天文光學儀器，先後磨製了口徑為150毫米及200毫米的施密特係統。南京天文儀器廠自一九五八年成立後，也先後磨製了多種施密特係統和反射望遠鏡。上海光機所由於大功率激光裝置的需要，發展了大相對孔徑非球麵聚光透鏡及高精度平麵的製造技術。
至八十年代初，中國科學院的幾個光學方麵的研究所及工廠的光學工藝水平，可用下列成果作為標誌：
1.麵形加工精度200毫米平麵為λ/40，50毫米平麵為λ/50—λ/100。
2.非球麵麵形加工精度λ/20，彌散圓直徑0.01毫米。
3.F—P標準具麵形加工精度λ/100，平行度0.2秒。
4.20毫米、厚0.1毫米薄片光程差λ/20。
5.200毫米球麵鏡表麵粗糙度3毫米以下。
.棱鏡角度加工精度1秒。
7.透鏡定中心精度2秒。
8.1.56米和2.16米天文望遠鏡光學係統主鏡麵形均方根誤差分別達到λ/18和λ/12。
三、光學係統檢驗
在五十年代初，儀器館內的光學檢驗主要是采用星點法來測量顯微鏡及望遠物鏡的成像質量。後來又試製了用焦麵法測量照像物鏡像差的萬能光學台。從一九五八年開始，開展了對顯微物鏡像質評價的研究。接著又開始了使用幹涉法來檢驗光學係統的質量與測量光學元件的麵形的研究。一九六○年試製了顯微物鏡波麵像差測定儀，可測量軸上波麵像差和色差。試製了顯微物鏡幾何像差測定儀，可測軸外幾何像差。另外還試製了數值孔徑儀。
用光學傳遞函數的方法來檢測光學係統，最早是在五十年代中期，長春光機所進行了一些理論分析，並開展了一些模擬試驗。接著，從一九六二年起，開始係統地進行光學傳遞函數測定方法及測試儀器方麵的研究，蔣築英等於一九六五年建立了光學調製傳遞函數測量實驗裝置和標準鏡頭。在此基礎上，後來又建立了精密光學傳遞函數測試裝置。西安光機所的光學檢驗實驗室也開展了光學傳遞函數的計算和應用研究。
長春光機所在六十年代中期曾研製一台照像物鏡雜光係數測量實驗裝置，並用於變焦距鏡頭的檢測。在此基礎上，八十年代初又研製了測量誤差小於0.15%的ZG—2型雜光測定儀，已在國內不少單位實際使用。在畸變測量方麵，長春光機所在五十年代末試製了畸變測定儀，用於測定製版鏡頭、投影儀的畸變，誤差小於5微米。八十年代光電所研製了DQCY—120型畸變測定儀，用於測定精密測量像機的畸變，誤差小於2微米。
光幹涉法用於光學檢驗方麵，產生了一係列光學檢測儀器。七十年代末長春光機所研製了鏡頭檢測幹涉儀，用於檢驗光學係統的軸上軸外波麵像差。八十年代，該所還試製了可測軸外波麵像差和色差的顯微物鏡波麵像差測定儀。
四、光學薄膜
一九五三年，長春光機所（原儀器館）袁幼心等最早在國內開始光學薄膜的研製工作。當時主要研製單層薄膜。後來由於幹涉儀和光譜儀器發展的需要，從五十年代中期起，長春光機所開始建立多層膜的製備技術，著手從事λ/4高、低折射率交替組合的多層介質反射膜和濾光片的研製工作。一九六○年製備出反射率達98%的全電介質高反射膜和峰值透過率大於60%、半寬度小於8納米的全電介質幹涉濾光片。接著，由於激光技術的出現，開展了用電子槍製備高溫氧化物硬膜工藝的研究。七十年代初，先後在上海光機所和長春光機所研製出環型、直型和e型電子槍，並製備出二氧化鋯／二氧化矽高反射硬膜。一九八○年上海光機所研製的激光反射膜在632.8納米或1.064微米波長處反射率高達99.8%，抗激光強度大於10瓦／平方厘米。
由於紅外夜視、紅外製導和其他紅外光學技術的發展，長春光機所首先開展了紅外多層膜係的研製工作。一九六○年研製出第一批紅外製導用的截通濾光片。技物所成立後，組織力量專門從事紅外薄膜的研製工作。在七十年代研製出相對帶寬為2%，峰值透過率大於70%的紅外窄帶濾光片和3—5、8—14、l4—16微米平均透過率為80%的紅外帶通濾光片。八十年代又研製出超窄帶濾光片，中心波長為10.6和15微米時，相對帶寬為0.5%，峰值透過率大於50%。
由於靶場光學儀器發展的需要，從六十年代初起，長春光機所開始各種寬帶增透，寬帶高反和多層分光膜，冷、熱光鏡和中性可變密度片等薄膜的研製工作。一九七三年製備的（二氧化鈦＋二氧化矽）＋二氧化鈦＋二氧化矽寬帶增透膜，280納米帶寬單麵剩餘反射率小於0.5%，一九七六年製備的三氧化二鋁＋二氧化鋯＋二氟化鎂三層增透膜，單麵剩餘反射率0.5%的帶寬擴展到300納米。
由於短波激光器和空間光學技術的需要，從七十年代中期開始，長春光機所、上海光機所、光電所和電子所等先後開展了紫外高反射膜和紫外濾光片的研製工作。一九七六年研製的200—250納米紫外濾光片峰值透過率為20—28%，半寬度為15—18納米。電子所一九七九年研製的193—248納米紫外高反射膜反射率達97—99%。從八十年代開始，長春光機所開展軟X線濾光片的研製工作。一九八四年研製出鋁合金膜濾光片，0.8—6納米通帶區平均透過率約40%，而在紅外到紫外的截止區透過率小於10-7。
為了配合光學薄膜的研製工作，中國科學院各研究所先後開展了光學薄膜設計、光學薄膜製備裝置、膜厚監控技術和薄膜性能參數測試的研究工作。在膜係設計方麵，五十年代中期，長春光機所已開始應用矩陣計算法。六十年代中，開始使用電子計算機並陸續編製出若幹多層膜係的計算程序。七十年代初，初步建立起變尺度計算方法。上海光機所在負濾光片合成的基礎上建立起光學薄膜的全自動設計程序。在光學薄膜製備裝置方麵，早在六十年代初，長春光機所就研製出金屬真空鍍膜裝置，並與工廠合作試製了國內第一台商品型高真空多層光學鍍膜機，後推廣生產。一九七二年安徽光機所建立了直徑達2.2米的大型鍍膜機，可鍍直徑1.2米工件的多層介質膜。在膜厚監控方麵，六十年代初，長春光機所發展和逐步完善了光電極值法，研製出一批交流光電極值膜厚監控儀。七十年代中，采用石英晶體振蕩技術控製膜厚，八十年代初又開展了非規整膜係厚度監控方法的研究。在薄膜性能測試方麵，長春光機所在六十年代初就開始了薄膜折射率和膜厚測試工作。八十年代初，研製的多光束等厚幹涉儀，測量精度為1納米。上海光機所研製的可見近紅外高反射率測量儀，可見區精度為0.05%，紅外區精度為0.1%。10.6微米紅外高反射率測量儀，精度達0.05%。此外，薄膜散射測量儀，靈敏度到10-5。長春光機所還研製出一台薄膜參數測量儀，可用它測量透過率，高、中、低反射率，實現了一機多用。測量透過率精度為0.02%，高反射率精度為0.03%，低反射率精度為0.05%。
五、光度、輻射度
（一）國家光度基準的建立。
長春光機所馮家璋等從一九五九年開始，受國家計量局委托，根據當時國際光強單位定義，建立中國光度基準，到一九六五年基本完成。所得結果為：鉑凝固點溫度下黑體的光強值複現精度為±0.24%，把基準器光強值過渡到色溫2042和2356開爾文光強副基準燈的精度約±0.4%，把它傳遞到色溫2793和2859開爾文光強工作基準燈的精度約±0.7%。此後，光度基準工作移交給中國計量科學研究院，一九七四年通過了國家鑒定，正式確定為中國光強量值單位。
六十年代，國際上正進行光強單位新定義的研究工作。一九六三年，長春光機所開始研製絕對輻射計。一九六五年，製作了平麵型和空腔型兩種，精度達l%。此後，將技術移交給中國計量科學研究院。計量院用絕對輻射計測定的最大光譜的光效率Km，受到一九七七年國際計量委員會光度學和輻射度學谘詢委員會第九次大會重視。其值與國際平均值非常接近。
（二）原子彈爆炸的光輻射測量。
六十年代初，長春光機所建立了標準黑體輻射源和熱輻射探測標準。為了測量原子彈爆炸的光輻射，陳星旦等設計研究了多種光衝量計，分別由薄膜電阻輻射熱計和薄膜溫差電偶組成，具有不同量程和不同記錄方式。一九六四年準確地測量了中國第一顆原子彈爆炸時光輻射的時間空間分布和積分光衝量值。這種測量方法和設備具有可靠性好準確性高和布點方便等特點，在以後多次核試驗中使用。
（三）紅外輻射測量。
為了紅外製導和探測等技術的需要，一九六三年技物所測量了飛機發動機的排氣溫度和紅外輻射。一九六六年，長春光機所研製了望遠鏡輻射計、光譜輻射計等。測定了中國幾種飛機在飛行中的紅外輻射度及光譜。上海光機所和技物所，為激光功率測量和紅外應用，建立了相應的輻射計量標準和設備。
（四）顏色測量。
由於研製彩色電視係統的需要，一九七三年王大珩編寫了《彩色電視中的色度學問題》一書，並由長春光機所設計出彩色電視攝像機的分色棱鏡和電學矩陣網路。
為了測定彩色目標，特別是彩色電視顯像管的調白場和三基色的色度值，一九七八年長春光機所試製了彩色亮度計。一九八三年改進，其亮度測量範圍10-3—10nt，精度±3%，測色精度ΔX·ΔY<±0.02。
一九八二年，長春光機所進行了色卡研究實驗，做出了1275張顏色樣品組成的色立體，並測定了它們的光譜反射率和色度數據。
（五）真空紫外輻射標準的建立。
八十年代初，長春光機所開始建立紫外和真空紫外輻射標準。一九八四年研製了壁穩氬弧及真空紫外光譜測量係統。光源穩定性優於±0.03%，用黑體譜線和氬連續光譜建立的350—110納米波段光譜輻射標準，精度約±5%。
信息光學的若幹基礎研究
一、大氣傳輸
中國的大氣傳輸研究，起始於一九六○年。當時在長春光機所設立了大氣光學研究組，主要是開展了關於大氣透明度、能見度以及天空亮度的研究。後來隨著激光技術的應用和軍事工程的需要，一九六四年又先後在北京大氣物理所和上海光機所成立了大氣傳輸研究組和大氣站，著手研究激光在大氣中的傳輸、目標紅外輻射、可見至中紅外太陽光譜、空間濾波技術等，並取得了一些有用的數據。一九七一年，安徽光機所設立大氣光學研究室，集中了上述三個部分研究大氣光學的力量。
七十年代，對大氣光學的研究，除原有的大氣傳輸中的水平衰減、閃爍、漂移外，還包括大氣氣體分子高分辨吸收光譜、大氣斜程衰減、大氣氣溶膠散射、光束擴展、高功率大能量激光非線性熱畸變和大氣湍流結構等項目。研究在熱暈中蒸發對氣溶膠的吸收時，導出了有效吸收係數的表示式。研究脈衝高功率10.6微米激光傳輸對大氣的影響時，導出了高功率激光輻射所誘導的大氣溫度變化的普遍表達式。這些表達式可以用來計算高功率激光傳輸的熱暈問題。大氣氣溶膠對於0.6328、10.6微米等激光衰減的實驗研究結果，可為某些激光應用工程提供氣溶膠影響的近似估計。在不同地區及天氣條件下，在常用激光波段進行水平大氣衰減測量，並利用多種方法（包括雷達、氣球、飛機等）進行1.06微米激光的斜程以至整層大氣衰減測量，獲得了大量數據。研究大氣湍流對光束漂移的影響，導出了與實驗結果相當符合的計算漂移飽和效應的理論公式，同時也研究了大氣湍流對相幹長度、成像點分辨率和光點抖動的影響，為設計大型光學儀器、外差激光雷達和激光多普勒測速研究提供了依據。
為了適應大氣光學研究工作的需要，安徽光機所還先後籌建了高分辨吸收光譜實驗室、大氣探測實驗室、非線性熱畸變實驗室和湍流效應實驗室，並且先後研製成長光程可調溫吸收池、可調溫差分光聲池、光電粒子計數器、能見度儀、激光測風儀、溫度脈動儀等設備。
二、光學信息處理
中國對光學信息處理的研究，起始於五十年代末期。長春光機所最先開始了對信息理論的探討，從物體結構函數的譜項表示形式，引出了信息和信息密度的概念。接著又用鍍膜方法製作掩膜板，使位相變化的物體轉變為振幅變化的像，進行了全位相顯微鏡的實驗。當時由於技術上的限製（如沒有好的相幹光源），研究工作曾停頓了一個時期。
六十年代中期，物理所和長春光機所幾乎同時開展了全息術的研究，並首先在國內拍攝成功了離軸式全息圖。七十年代初，長春光機所與聲學所協作，開展了聲納信號的多通道相關處理方麵的工作，並研製了國內第一個高質量傅裏葉變換鏡頭。物理所對脈衝多普勒雷達信號的多目標坐標和速度的二維顯示，進行了理論和實驗研究。從七十年代中期開始，上海光機所開展了菲涅爾帶板式的編碼孔徑成像技術研究，製成了編碼孔徑菲涅爾帶板。隨後長春光機所開展了均勻隨機分布的編碼孔徑的成像技術和圖象處理方法的研究。這些技術主要用於等離子體物理診斷。長春光機所利用計算機製作標準非球麵的全息圖，用來檢查非球麵的加工質量，精度可達λ/10。上海光機所也開展了計算機全息方麵的工作，同時開展假彩色編碼的研究。物理所、長春光機所和上海光機所先後做成了全息逆濾波器，實現了圖象恢複的實驗工作。七十年代末期，物理所提出的光學一般性變換理論，曾引起國際上的注意，並進行了相應的實驗研究。該所在一九七八年利用半色調方法和白光光源，在國內首先得到假彩色編碼，並在醫學臨床上得到應用。該所還同時開展了光學熱塑實時記錄介質材料的研究。
關於光學信息處理的一些基礎實驗工作，如文字識別、圖象相減、圖象增強等，上海光機所、長春光機所、物理所等單位都先後開展了研究。八十年代初，長春光機所用頻譜分析的方法測量微米級的小孔，尺寸和形狀的測量誤差均小於5%，在實際中得到應用。
七十年代末，長春光機所和電子所分別從事合成孔徑雷達光學處理器的研製，作出了實驗樣機，獲得了可供應用的地麵圖象，地麵分辨率達到15米。由於合成孔徑雷達屬於全天候型的成像設備，不受氣候條件和白天黑夜的限製，因此它是遙感的一種主要探測手段。所得到的有關地區的圖象，在探礦、海水汙染監測、土地資源的開發利用、森林普查等方麵，得到了實際應用。長春光機所與上海光學儀器廠、北京感光化學所協作，於一九八○年研製了中國第一台高精度平床式顯微密度計。在化學分析、光譜分析和圖象處理等方麵的實際應用證明，它的精度高、可靠性好。與此同時，上海光機所應用傅裏葉準幹涉儀、非相幹圖象相減、環路微分剪切幹涉顯微鏡等技術，開展了線寬的精密測量、電視散斑幹涉的研究，研製了多通道密度切割儀、數字圖象輸出設備等。長春光機所對於幹涉圖樣進行數字化分析和處理，使光學零件的麵形測量精度達λ/20，局部誤差達到λ/50，還可以從幹涉圖樣中分析出主要的像差來源，提高了幹涉計量儀器的精度。
在遙感圖象處理方麵，遙感所和空間中心研製了遙感圖象數字處理係統，用作遙感圖象的分類和信息抽取等方麵的工作。長春光機所一九八三年研製了單路和多路假彩色合成儀，在遙感圖象和醫學圖象處理方麵均得到應用。另外，光電所與成都科儀廠合作研製了彩色合成儀。光電所還研製了電視圖象彩色分析儀。
為了克服動態幹擾對大型觀測係統和激光發射係統的影響，光電所於一九七九年開展了以實時校正波前誤差為特點的自適應光學技術的研究，建立了自適應光學實驗室，研製了供實驗用的組合式多元壓電變形反射鏡。通光口徑為50毫米和70毫米，單元數為21和29，變形量為±1.5微米／±700伏，諧振頻率為7兆赫，工作壽命超過10次。用該變形反射鏡，可實現激光波前誤差的實時校正，使艾瑞斑內能量由5%提高到7%。