第1章　全球发展态势
　　1.1　应用光学
　　1.1.1　高精度非球面光学曲面制造技术不断发展，大口径非球面望远镜获得应用
　　在光学系统中使用非球面元件能够在不增加额外像差的前提下，增加自变量个数，能有效改善像质，同时在同等约束条件下，减少了光学元件数量，从而减小了光学系统的尺寸和质量，因此非球面元件在航空航天遥感、天文观测、深空探测、光电跟踪仪器、光刻机物镜和高性能照相(摄像)机等诸多光电仪器领域得到了广泛应用。
　　非球面制造技术的发展趋势体现在尺度精度比日益提升，达到109量级，同时要求光学元件全频段收敛。在大口径光学元件方向，其主要应用包括大口径空间光学成像系统、地基天文望远镜等。
　　典型代表包括哈勃空间望远镜(Hubble Space Telescope，HST)、詹姆斯 韦伯空间望远镜(James Webb Space Telescope，JWST)。哈勃空间望远镜如图1-1所示，有效口径为2.4m，能够同时观测紫外、可见光与近红外波段的宇宙信息，主镜采用单体镜的结构形式，镜体质量为828kg。
　　图1-1　哈勃空间望远镜
　　JWST是美国国家航空航天局、欧洲航天局和加拿大国家航天局合作建造的空间天文望远镜，于2021年12月成功发射，已在轨工作。其主反射镜由18块六边形子镜拼接而成，其口径将达到6.5m。JWST是一种低温红外空间观测仪器，其探测谱段为0.6～29μm，衍射极限为2μm，系统波前均方根误差小于156nm。
　　JWST主镜的等效口径为6.5m，由18块六边形的分块子镜组成(图1-2)，每个分块子镜的内切圆大小为1.315m，采用铍材料制成，采用了发射折叠、入轨展开的方案，与中心的12块子镜共同构成6.5m口径的主镜。
　　图1-2　JWST及其与HST的主镜对比
　　在地基望远镜方面，其中具有代表性的例子如美国在1996年建成的目前世界上最大的Keck I和Keck II大型望远镜，其主镜由36片子镜拼接而成，口径达到10m。亚利桑那大学建成的大型双目望远镜(Large Binocular Telescope，LBT)由两块直径达8.4m的主镜组成，图1-3为LBT 8.4m直径主镜。
　　图1-3　LBT 8.4m直径主镜
　　甚大望远镜(Very Large Telescope，VLT)为欧洲南方天文台在智利建造的大型光学望远镜，由4台相同的8.2m口径望远镜组成，组合的等效口径可达16m，图1-4为VLT主镜示意图。
　　美国在研的30m望远镜(Thirty Meters Telescope，TMT)，其主镜口径达到了30m，由492块口径为1.44m、厚度为45mm的六边形镜面拼接组成，图1-5为TMT望远镜想象图。
　　图1-4　VLT主镜示意图
　　图1-5　TMT望远镜想象图
　　1.1.2　计算成像技术持续发展，技术体系不断完善
　　计算成像作为典型的下一代光电成像技术，其发展趋势主要体现在恶劣条件下的持续稳定成像、光电成像作用距离拓展以及光场信息的获取和解译受损等方面。斯坦福大学、哥伦比亚大学、麻省理工学院、波士顿大学等大学共同正式发起计算成像技术的研究，并成立了媒体实验室的相机文化组(Media Lab Camera Culture Group)、计算成像实验室(Computational Imaging Lab)、混合成像实验室(Hybrid Imaging Lab)、电子与计算机工程实验室(Electrical and Computer Engineering Lab)等实验室，都已经开始了计算成像领域相应技术的研究，几乎所有顶尖大学和研究所都迅速建立了相关实验室或研究中心。
　　美国麻省理工学院开展的单光子敏感的空中成像研究，可实现超快实时成像和可视化跟踪视野之外的物体。美国波士顿大学的TIAN实验室设计出了片上显微光场成像原型机，可实现单帧显微目标的三维重构。美国北卡罗来纳大学设计了首款千兆像素级的全天域地基天文望远镜Evryscope。美国加州大学伯克利分校的基于光锥变换的共焦非视线成像项目可对隐藏物体进行快速、高质量的重建。日本大阪大学开展了复眼系统计算成像研究，实现高质量图像重建。
　　目前也有部分技术由实验室走向了工程化应用，美国斯坦福大学研制可编程配置的开源相机Franken Camera，相机拍摄结果由用户定义的配置程序决定。美国Lytro公司推出了基于微透镜阵列的商用光场相机Lytro，可实现先拍照后对焦的全景深拍摄，日前又推出一款可以实现三维高速全景深的Raytrix-∞成像相机。美国GelSight公司研发高精度微几何快速测量的变光照弹性传感相机GelSight，Mahowald公开了其设计的第一个事件相机Event Camera神经拟态系统，用以监测场景动态变化。
　　1.1.3　压缩采样无透镜全息成像和数字全息合成孔径成像持续发展
　　(1)压缩采样无透镜全息成像方面。全息是一种可以记录光波全部信息的技术，包含干涉记录和衍射再现两个过程，干涉记录过程实现对光波复振幅的编码，衍射再现过程则实现对复振幅信息的解码。
　　在全息重建过程中，散斑噪声和孪生图像严重降低了重建图像的质量。在数字全息重建中，引入压缩感知算法，可有效地去除散斑噪声和孪生图像，能在减少成像系统复杂度和只采集单幅伽博全息图的条件下，通过算法恢复高质量的图像，有效地消除孪生图像，保持成像系统的空间带宽积。此外，数字全息图虽然可以记录真实的波前信息，但是利用单幅全息图重建三维物体是一个欠定问题，具有不唯一解。

目录
《中国电子信息工程科技发展研究》编写说明
前言
第1章 全球发展态势 1
1.1 应用光学 1
1.1.1 高精度非球面光学曲面制造技术不断发展，大口径非球面望远镜获得应用 1
1.1.2 计算成像技术持续发展，技术体系不断完善 4
1.1.3 压缩采样无透镜全息成像和数字全息合成孔径成像持续发展 6
1.1.4 高性能光谱仪器及核心元器件的需求不断提高 12
1.1.5 裸眼三维光场显示取得进展，仍需技术攻关 13
1.1.6 头戴显示技术继续发展，新技术不断产生 16
1.1.7 三维衍射层析技术从干涉向非干涉转型，助力细胞“真实3D”成像 18
1.1.8 三维纳米光刻技术朝着高精度、高速度不断发展 20
1.1.9 空间碎片光学探测系统向立体化、网络化发展，覆盖范围不断完善 21
1.1.10 超分辨率成像技术持续发展，近场与远场观测分辨率不断提高 24
1.1.11 大动态范围低照度微光成像技术取得突破，夜光遥感常态化 29
1.1.12 先进变形反射镜需求日益迫切，元器件性能不断提升 30
1.1.13 航天极端环境光纤力热传感技术继续发展，高性能、多参量极端环境光纤力热传感不断产生 31
1.1.14 光声技术继续发展，高性能、新类型光学麦克风不断产生 33
1.2 激光技术 34
1.2.1 激光技术继续发展，高性能、新类型激光器不断产生 34
1.2.2 激光雷达芯片技术水平不断提高，支撑自动驾驶应用 37
1.2.3 中长波半导体激光技术得到发展 42
1.2.4 新体制相干成像激光雷达技术发展迅猛 43
1.2.5 激光技术助力新一代信息产业转型升级 44
1.2.6 卫星激光测距技术向高重复率、自动化无人值守发展 46
1.2.7 通信用半导体激光器芯片继续发展 47
1.3 红外技术 49
1.3.1 三代红外探测器技术迅猛发展 49
1.3.2 双色红外探测器进一步发展 50
1.3.3 高性能三代红外探测器得到应用 51
1.3.4 基于多模式成像技术的短波红外相机需求持续增加 53
1.3.5 四代红外探测器正在兴起 54
1.3.6 红外科技蓬勃发展，高性能的新型探测技术不断产生 55
1.3.7 空间探测用低温光学技术持续发展、空间红外望远镜性能不断提升 58
1.3.8 红外成像技术走向成熟，新体制红外器件不断涌现 59
第2章 我国发展现状 62
2.1 应用光学 62
2.1.1 高精度非球面光学曲面制造技术方面迎头赶上，并得到应用 62
2.1.2 计算成像技术逐步完善，成像体系已完成建立 63
2.1.3 压缩采样无透镜全息成像和数字全息合成孔径成像得到突破 64
2.1.4 光场3D显示方面得到技术突破与广泛应用 66
2.1.5 核心器件开发促进国内高性能光谱仪器的快速发展 67
2.1.6 头戴显示技术与世界领先水平的差距不断缩小 69
2.1.7 三维衍射成像快速发展 71
2.1.8 三维纳米光刻技术与世界领先水平的差距不断缩小 72
2.1.9 空间碎片光学探测逐渐得到重视 73
2.1.10 超分辨率成像与世界领先水平的差距不断缩小 78
2.1.11 超大动态范围微光成像技术达到新高度 82
2.1.12 单元数最多的变形反射镜研制成功 82
2.1.13 航天极端环境光纤力热传感技术与世界领先水平的差距不断缩小 83
2.1.14 光学麦克风方面与世界领先水平的差距不断缩小 85
2.2 激光技术 86
2.2.1 激光雷达芯片技术成果显著 86
2.2.2 激光器件方面不断取得突破进展 89
2.2.3 中长波半导体激光技术水平已达到世界先进水平 92
2.2.4 干成像激光雷达成果显著 93
2.2.5 我国激光光源技术异军突起 94
2.2.6 激光显示创新能力不断增强，技术和产业进程国际领先 95
2.2.7 激光测距技术积极追赶世界领先水平 96
2.2.8 商用半导体激光器急需实现全过程国产化 98
2.3 红外技术 100
2.3.1 三代红外探测器技术进入实际装备阶段 100
2.3.2 双色红外探测器具备研制与生产能力 101
2.3.3 高性能三代红外探测器获得了较大技术突破 101
2.3.4 非制冷红外探测器性能与国外主流产品基本持平 103
2.3.5 在红外科学与技术领域取得新进展 104
2.3.6 低温光学技术与世界领先水平的差距不断缩小 107
2.3.7 胶体量子点红外探测器整体起步较晚，近年来进展加速 108
第3章 我国未来展望 109
3.1 应用光学 109
3.1.1 大尺度精度比光学元件制造技术将进一步发展 109
3.1.2 计算成像理论与技术逐步完善 109
3.1.3 无透镜全息成像和数字全息合成孔径成像继续深化研究 110
3.1.4 裸眼3D光场显示逐步从行业应用走进百姓生活 111
3.1.5 多种技术融合提升头戴显示器性能，体全息衍射光波导技术是未来方向 112
3.1.6 高性能光谱分析仪器正朝智能化、小型化、高分辨率和高稳定性的方向发展 112
3.1.7 三维衍射层析显微仪器的工程化仪器研制进一步开展 113
3.1.8 光学极端三维纳米光刻技术将进一步发展 114
3.1.9 空间碎片光学探测维度进一步扩展 114
3.1.10 进一步提高光学成像分辨率，开展多种不同原理、不同方法超分辨率成像技术研究 115
3.1.11 面向全天时遥感需求，弱光观测能力将不断加强 116
3.1.12 变形反射镜技术将进一步发展 116
3.1.13 极端环境光纤力热传感系统整体性能与封装技术将进一步发展 117
3.1.14 光声技术将得到进一步发展 117
3.2 激光技术 118
3.2.1 车载激光雷达技术将进一步发展 118
3.2.2 集成化单模高功率半导体光放大技术将快速发展 118
3.2.3 宽调谐窄线宽外腔型半导体激光器技术发展迅速 119
3.2.4 激光相干合成向着更大数目、更高功率和更高效率发展 120
3.2.5 相干成像激光雷达朝实用化发展 121
3.2.6 中长波半导体激光技术将进一步发展 121
3.2.7 激光与光电集成技术将进一步发展 122
3.2.8 激光技术将助推显示技术从高清时代走向超高清时代 122
3.2.9 地基空间激光测距系统与空间载荷进一步发展 123
3.2.10 高速率、宽温度、高可靠分布式反馈激光器芯片技术将进一步突破 123
3.3 红外技术 124
3.3.1 三代红外探测器技术未来趋势 124
3.3.2 双色红外探测器发展趋势 124
3.3.3 高性能三代红外探测器未来趋势 124
3.3.4 非制冷红外探测器扩展用户群体和市场 125
3.3.5 面向深空探测的低温工作温度要求更低 126
3.3.6 异质集成技术将在红外探测器技术逐步应用 126
3.3.7 我国红外科技在新原理、新方法上将获得重大发现与突破 127
3.3.8 红外产业链布局将会发生转化 127
3.3.9 非倒装键合体制助力焦平面成像阵列性能大幅提升 128
第4章 我国热点和亮点 129
4.1 应用光学 129
4.1.1 “天问一号”高分辨率相机成功拍摄火星高分辨率图像 129
4.1.2 计算成像技术发展迅猛 132
4.1.3 数字全息成像方法得到突破 135
4.1.4 裸眼3D光场显示成果显著 140
4.1.5 头戴显示技术与产品得到多方面突破 142
4.1.6 超精密光学制造有所突破 147
4.1.7 三维衍射层析成像提升光学成像性能 150
4.1.8 三维纳米光刻技术提升刻写效率 152
4.1.9 空间碎片测侦通一体化探测技术有望天基应用 155
4.1.10 微光成像系统达到国际先进水平 157
4.1.11 变形反射镜达到世界先进水平 160
4.1.12 研制成功具有自主知识产权的在轨航天器光纤力热复合测试仪 161
4.1.13 基于光学麦克风的光声探测及应用技术 163
4.1.14 成功制备基于超构透镜阵列的高维量子纠缠光源 165
4.1.15 首次实现亚纳米分辨率的单分子光致荧光成像 166
4.1.16 空间全固态激光器技术及应用取得成果 166
4.1.17 2021年中国光学十大进展 167
4.2 激光技术 167
4.2.1 相控阵芯片及激光放大技术 167
4.2.2 大阵元数目光纤激光相干合成技术 170
4.2.3 中长波半导体激光技术 172
4.2.4 半导体激光产品在星载、机载、弹载领域得到应用 174
4.2.5 空间全固态激光器技术及应用 176
4.2.6 相干成像激光雷达 176
4.2.7 激光显示技术与产品 178
4.2.8 远距离高精度激光测距 182
4.2.9 全国产化高速宽温高速分布式反馈激光器芯片 184
4.2.10 间接驱动高增益激光聚变快点火集成实验 187
4.2.11 超快激光三维操控透明材料内部钙钛矿量子点的可逆生长 187
4.2.12 新型激光光热光谱学气体测量技术 187
4.2.13 世界首例可用于数字相干光通信的高性能铌酸锂薄膜电光调制器芯片 188
4.2.14 2021年中国光学十大进展 188
4.3 红外技术 188
4.3.1 高端二代和三代红外焦平面探测器研制成功 188
4.3.2 高性能红外焦平面重大专项任务打破了技术垄断 191
4.3.3 红外光谱探测与环境辐射及测量基准成果显著 192
4.3.4 超低温光学技术得到突破 196
4.3.5 短波及中波红外成像芯片制备 199
4.3.6 大规模非制冷红外焦平面阵列及片上集成系统 200
4.3.7 2021年中国光学十大进展 202
第5章 年度热词 203
5.1 应用光学 203
5.2 激光技术 210
5.3 红外技术 213
第6章 领域指标 219
参考文献 224