双波段共口径连续共变焦光学系统的设计与实现：理论、方法与应用

双波段共口径连续共变焦光学系统的设计与实现：理论、方法与应用一、引言1.1研究背景与意义在现代光学领域中，随着对多波段信息获取和处理需求的不断增长，双波段共口径连续共变焦光学系统逐渐成为研究热点。这种光学系统能够在同一光学结构下实现两个不同波段的连续变焦功能，同时保持共口径特性，为多领域的发展带来了新的机遇和突破。从军事领域来看，双波段共口径连续共变焦光学系统具有重要的应用价值。在夜间或恶劣天气条件下，中波红外波段能够穿透烟雾、尘埃等障碍物，提供清晰的目标图像，而可见光波段则能在白天提供丰富的细节信息。通过将这两个波段集成在一个光学系统中，士兵可以在不同环境下快速切换观察波段，实现对目标的全方位监测和识别，提高作战效率和安全性。例如，在城市反恐作战中，士兵可以利用该系统在白天通过可见光波段对建筑物内的情况进行详细观察，而在夜间或烟雾环境下，切换到中波红外波段，准确识别隐藏的敌人和危险目标。在民用领域，双波段共口径连续共变焦光学系统也发挥着重要作用。在安防监控方面，该系统可以实时监测不同场景下的目标，无论是白天的人员活动还是夜间的异常情况，都能及时捕捉到关键信息，为公共安全提供有力保障。在医疗领域，结合可见光和近红外波段的光学系统可以用于医学成像，帮助医生更准确地诊断疾病。例如，在皮肤科检查中，可见光可以显示皮肤的表面特征，而近红外光则能穿透皮肤表层，提供皮下组织的信息，有助于早期发现皮肤病变。在环境监测中，双波段光学系统可以同时获取不同波段的光谱信息，用于分析大气污染、水体质量等环境参数，为环境保护提供数据支持。此外，双波段共口径连续共变焦光学系统的发展也推动了光学设计和制造技术的进步。为了实现两个波段的共口径连续变焦，需要解决一系列光学难题，如色差校正、像差平衡、材料选择等。这些挑战促使科研人员不断探索新的光学设计方法和制造工艺，推动了整个光学领域的技术创新。例如，通过优化透镜的曲率半径和材料组合，可以有效减小色差和像差，提高光学系统的成像质量；采用先进的制造工艺，如高精度研磨和镀膜技术，可以实现光学元件的高精度加工，确保系统的性能稳定可靠。双波段共口径连续共变焦光学系统在军事、民用等多领域都具有不可替代的作用。通过深入研究和不断创新，有望进一步提高该系统的性能和应用范围，为各领域的发展提供更强大的技术支持。1.2国内外研究现状在国外，双波段共口径连续共变焦光学系统的研究起步较早，取得了一系列具有代表性的成果。美国在该领域处于世界领先地位，其科研机构和企业投入大量资源进行研究，开发出多种高性能的双波段光学系统。例如，美国的一些军事光学系统，能够在可见光和红外波段实现高精度的连续变焦，为军事侦察、目标识别等任务提供了强大的技术支持。在民用领域，美国的一些高端光学设备也采用了双波段共口径连续共变焦技术，如用于天文观测的望远镜，能够同时捕捉可见光和红外波段的天体信息，为天文学研究提供了更丰富的数据。欧洲的一些国家，如德国、法国等，也在双波段光学系统研究方面有着深厚的技术积累。德国的光学企业以其精湛的制造工艺和先进的光学设计理念，开发出了一系列性能优异的双波段光学元件和系统，在工业检测、医疗成像等领域得到了广泛应用。法国则在光学材料研究方面取得了重要突破，为双波段光学系统的发展提供了更优质的材料选择，有助于提高系统的成像质量和稳定性。国内对双波段共口径连续共变焦光学系统的研究近年来也取得了显著进展。许多科研院校和企业纷纷加大研发投入，在理论研究和工程应用方面都取得了重要成果。例如，云南北方光电仪器有限公司于2024年11月提交了名为“可见光与近红外激光共口径共光路的连续变焦光学系统”的专利申请，该专利采用双波段共光路的变焦形式，摒弃了传统的分光镜和补偿透镜组，有效缩小了光学系统的体积和重量，降低了装配难度和成本，实现了可见光波段和近红外激光波段的同步观测，在环境监测、遥感测量、医学影像以及安全监控等领域具有广泛的应用前景。国内一些高校也在积极开展相关研究，通过优化光学设计和材料选择，提高双波段光学系统的成像性能和稳定性。例如，通过研究新型的光学材料和结构，探索更有效的色差校正和像差平衡方法，以满足不同应用场景对光学系统的要求。尽管国内外在双波段共口径连续共变焦光学系统的研究上取得了一定成果，但仍存在一些不足之处。在光学设计方面，由于双波段的波长差异较大，导致色差校正和像差平衡难度较大，尤其是在高变焦比和大视场的情况下，如何进一步提高成像质量仍然是一个亟待解决的问题。例如，可见光(0.38~0.76μm)、中波红外(3~5μm)双波段在各焦距处的高级像差很难校正，尤其对于双波段之间产生的垂轴色差和高级球差、彗差不易校正。在材料选择方面，虽然已经有一些能够同时透过双波段的材料，但这些材料的性能仍有待提高，且材料的成本较高，限制了双波段光学系统的大规模应用。此外，在系统的集成和制造工艺方面，也需要进一步提高精度和稳定性，以确保系统在复杂环境下的可靠运行。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本文围绕双波段共口径连续共变焦光学系统展开深入研究，具体内容如下：双波段共口径连续共变焦光学系统的理论研究：深入剖析双波段共口径连续共变焦光学系统的基本原理，如光线传播、成像理论等。着重研究双波段齐焦理论，通过建立理想近轴薄透镜模型，使双波段变焦光学系统在任意变焦位置处的焦距相同，为后续的光学系统设计提供坚实的理论基础。同时，深入探究色差产生的原因，研究消色差理论，如基于三片薄透镜消色差理论，在变倍组和补偿组中合理选择材料，有效减小系统的色离焦问题，确保系统在不同波长下的成像质量。双波段共口径连续共变焦光学系统的设计：根据系统的设计要求，如焦距范围、变焦比、视场角等参数，结合两组元变焦理论及h-hp孔径图，搭建双波段光学系统的初始结构。在设计过程中，全面考虑双波段之间的差异，如中心波长差距大导致的齐焦困难、高级像差不易校正等问题。通过优化变倍组、补偿组等组元的结构和参数，如透镜的曲率半径、厚度、光焦度等，以及合理选择透镜材料，如根据材料的色散系数、透过率等特性，选择能同时透过双波段且消色差效果好的材料组合，实现对系统像差的有效校正，提高系统的成像性能。双波段共口径连续共变焦光学系统的性能分析与优化：运用光学设计软件，对设计好的光学系统进行全面的性能分析，包括点列图分析，以评估系统在不同焦距和视场下的成像质量，确定系统主要存在的像差类型和大小；调制传递函数（MTF）分析，用于衡量系统对不同空间频率的传递能力，判断系统的分辨率是否满足要求；场曲和畸变分析，确保系统在整个视场内的成像平面平坦，图像不失真。根据性能分析结果，针对性地提出优化方案，如进一步调整透镜的形状和材料组合，引入特殊的光学元件或结构，如非球面透镜、衍射光学元件等，以进一步改善系统的成像性能，使其满足实际应用的需求。双波段共口径连续共变焦光学系统的实验验证：搭建实验平台，进行双波段共口径连续共变焦光学系统的实验验证。选择合适的探测器和光源，模拟实际应用场景中的双波段光线输入。通过实验测量系统的各项性能指标，如焦距、变焦比、成像质量等，并与理论设计值进行对比分析。对实验结果进行深入讨论，分析实验与理论之间的差异原因，如加工误差、装配误差、环境因素等对系统性能的影响。根据实验结果对系统进行进一步优化和改进，确保系统的性能稳定可靠，为实际应用提供有力的实验支持。1.3.2研究方法本文拟采用以下研究方法开展双波段共口径连续共变焦光学系统的研究：文献研究法：全面收集和整理国内外关于双波段共口径连续共变焦光学系统的相关文献资料，包括学术论文、专利、研究报告等。深入分析前人在该领域的研究成果和方法，了解当前的研究现状和发展趋势，总结现有研究中存在的问题和不足，为本文的研究提供理论基础和研究思路。例如，通过对美国、欧洲以及国内相关研究的分析，了解不同研究团队在光学设计、材料选择、系统集成等方面的创新点和经验，从中获取启示，确定本文的研究重点和方向。理论分析法：运用光学原理和数学方法，对双波段共口径连续共变焦光学系统进行深入的理论分析。建立系统的数学模型，推导相关的光学公式，如光线追迹方程、像差计算公式等，从理论上研究系统的性能和特性。通过理论分析，明确系统设计的关键参数和约束条件，为系统的设计和优化提供理论依据。例如，在研究色差校正时，运用色散理论和光焦度分配公式，分析不同材料组合对色差的影响，从而确定最佳的材料选择方案。软件仿真法：利用专业的光学设计软件，如Zemax、CodeV等，对双波段共口径连续共变焦光学系统进行建模和仿真分析。通过软件模拟系统的光学性能，如成像质量、像差分布等，直观地展示系统的性能表现。在仿真过程中，对系统的结构参数进行优化调整，通过多次迭代计算，找到最优的设计方案。软件仿真可以大大缩短设计周期，降低研发成本，同时为实验验证提供参考和指导。例如，在Zemax软件中，通过设置不同的透镜参数和材料属性，模拟系统在不同工况下的成像效果，根据仿真结果对系统进行优化，提高成像质量。实验研究法：搭建实验平台，进行双波段共口径连续共变焦光学系统的实验研究。通过实验测量系统的各项性能指标，如焦距、视场角、成像分辨率等，验证理论设计的正确性和系统的可行性。实验研究可以发现理论分析和软件仿真中未考虑到的实际问题，如光学元件的加工误差、装配误差、环境因素对系统性能的影响等。根据实验结果对系统进行优化和改进，提高系统的性能和可靠性。例如，在实验中，使用高精度的测量设备对系统的成像质量进行评估，根据实验数据调整系统的参数，使系统性能达到预期目标。二、双波段共口径连续共变焦光学系统设计原理2.1光学系统基本概念双波段光学系统，是指能够同时对两个不同波长范围的光线进行处理和成像的光学系统。这两个波段通常具有不同的特性和应用场景，例如常见的可见光波段（0.38-0.76μm）和红外波段（如中波红外3-5μm、长波红外8-14μm等）。可见光波段能够提供丰富的色彩和细节信息，符合人眼的视觉感知，广泛应用于日常观察、摄影、安防监控等领域。而红外波段则具有独特的优势，它能够穿透烟雾、尘埃等障碍物，不受昼夜光线变化的影响，在军事侦察、热成像、环境监测等方面发挥着重要作用。例如，在森林防火监测中，红外波段可以检测到高温火源，及时发现火灾隐患，而可见光波段在烟雾较大时可能无法清晰成像。共口径光学系统，意味着不同波段的光线通过同一个光学口径进入系统。这种设计能够有效减小系统的体积和重量，提高系统的紧凑性和集成度。在传统的多波段光学系统中，不同波段往往需要独立的光学口径和光学元件，这不仅增加了系统的复杂性和成本，还可能导致不同波段之间的光轴不一致，影响成像质量。而共口径设计通过共用光学口径，使得不同波段的光线在同一光学路径上传播，减少了光学元件的数量和系统的体积，同时也便于实现不同波段图像的配准和融合。例如，在卫星遥感设备中，采用共口径光学系统可以在有限的空间内集成多个波段的光学成像功能，提高卫星的观测能力和效率。连续共变焦是指光学系统在变焦过程中，两个波段的焦距能够同时、连续地变化，并且保持在同一焦平面上成像。这种特性使得系统在不同的观测距离和场景下，都能够快速、准确地获取清晰的双波段图像。与传统的变焦系统相比，连续共变焦系统具有更高的灵活性和适应性。传统变焦系统可能只能在单一波段进行变焦，或者在双波段变焦时无法保证焦距的同步和图像的清晰。而连续共变焦系统通过精心设计的光学结构和变倍补偿机制，实现了双波段焦距的连续调节和齐焦成像。例如，在安防监控领域，连续共变焦光学系统可以在远距离时将焦距调长，对目标进行放大观察，在近距离时将焦距调短，获取更广阔的视野，同时保证可见光和红外波段的图像始终清晰，便于监控人员及时发现异常情况。2.2设计理论基础在双波段共口径连续共变焦光学系统的设计中，双波段齐焦理论和消色差理论起着至关重要的作用。双波段齐焦理论是实现双波段共口径连续共变焦光学系统的关键理论之一。由于可见光和中波红外等不同波段的中心波长差距较大，如可见光波段范围通常为0.38-0.76μm，中波红外波段为3-5μm，使得双波段齐焦面临巨大挑战。为解决这一问题，本设计基于双波段齐焦理论，在变倍组、补偿组及可见像差补偿组建立理想近轴薄透镜模型。通过该模型，使得双波段变焦光学系统在任意变焦位置处的焦距相同，从而保证双波段在整个变焦过程中始终保持齐焦状态。以一个具体的双波段共口径连续共变焦光学系统设计为例，在建立理想近轴薄透镜模型后，经过精确计算和优化，成功实现了可见光和中波红外在不同变焦位置下的焦距差值控制在极小范围内，满足了系统的齐焦要求，为后续的光学系统设计提供了坚实的基础。消色差理论也是双波段共口径连续共变焦光学系统设计中不可或缺的理论基础。色差是由于不同波长的光在光学系统中传播时，其折射率不同而产生的像差。在双波段光学系统中，色差问题尤为突出，严重影响成像质量。为了有效减小系统的色离焦问题，通常采用消色差理论进行设计。基于三片薄透镜消色差理论，在变倍组和补偿组中合理选择材料，使不同波长的光经过光学系统时所表现出来的光焦度相等，从而实现消色差的目的。具体来说，对于可见光和中波红外光学系统，设计要求系统在同一位置可见红外之间的焦距之差小于最小焦深，并且系统的垂轴色差小于系统的单个像元尺寸，同时满足在不对系统进行内调焦的情况下使得可见红外同时在像面上清晰成像。在实际设计过程中，根据消色差理论，通过精确计算和优化材料组合，成功减小了系统的色离焦问题，提高了成像质量。例如，在某双波段共口径连续共变焦光学系统的设计中，通过采用特定的材料组合和优化透镜的光焦度分配，使得系统在可见光和中波红外波段的成像质量得到了显著提升，满足了实际应用的需求。2.3系统工作原理在双波段共口径连续共变焦光学系统中，光线从物方进入系统，首先经过前固定组。前固定组起到初步汇聚光线的作用，它可以对光线进行准直和初步的光学处理，为后续的变倍和补偿过程奠定基础。例如，在前固定组中，透镜的组合方式和光焦度的设置可以根据系统的整体要求，对光线的传播方向和汇聚程度进行调整，使得光线能够以合适的角度和强度进入变倍组。变倍组是实现焦距变化的关键组元。通过改变变倍组中透镜的位置或形状，可以实现系统焦距的连续变化。在变倍组中，透镜的移动或变形会改变光线的传播路径和光程差，从而实现不同的放大倍率。当变倍组中的透镜向物方移动时，系统的焦距会变长，图像被放大；反之，当透镜向像方移动时，焦距变短，图像缩小。在一个典型的双波段共口径连续共变焦光学系统中，变倍组由多个透镜组成，通过精密的机械结构控制透镜的移动，实现焦距从短焦到长焦的连续变化。补偿组则与变倍组协同工作，用于补偿因变倍组移动而产生的像面位移和像差变化。在变倍过程中，变倍组的移动会导致像面位置和像差的改变，补偿组通过相应的移动或光学参数调整，使像面始终保持在固定位置，同时减小像差，保证成像质量。例如，当变倍组向物方移动导致像面后移时，补偿组会向前移动，使像面回到原来的位置。补偿组的移动规律通常是非线性的，需要根据变倍组的移动量和系统的像差特性进行精确计算和控制。光线经过变倍组和补偿组后，进入后固定组。后固定组主要用于对光线进行最后的聚焦和成像，将光线准确地汇聚到像面上，形成清晰的图像。后固定组中的透镜可以对光线进行微调，进一步校正像差，提高成像的清晰度和质量。例如，后固定组中的透镜可以对剩余的色差、球差等像差进行校正，使得图像在像面上的各个位置都能保持清晰和准确的成像。最终，双波段的光线在像面上分别成像，实现双波段共口径连续共变焦的功能。通过探测器对像面上的图像进行采集和处理，即可获取到不同波段的图像信息，满足各种应用场景的需求，如安防监控中对可见光和红外光图像的同时采集与分析，以实现全天候、全方位的监控。三、双波段共口径连续共变焦光学系统设计难点与解决方案3.1设计难点分析3.1.1像差校正难题在双波段共口径连续共变焦光学系统中，像差校正面临着巨大挑战。由于系统需要同时处理可见光（0.38-0.76μm）和中波红外（3-5μm）两个波段的光线，而这两个波段的波长差异较大，导致在各焦距处的高级像差校正极为困难。垂轴色差是双波段系统中较为突出的像差之一。它是由于不同波长的光线在光学系统中传播时，其垂轴放大率不同而产生的。在双波段共口径连续共变焦光学系统中，可见光和中波红外的中心波长差距大，使得垂轴色差问题更加严重。这种像差会导致图像的色彩失真和边缘模糊，影响成像质量。当观察一个彩色物体时，垂轴色差可能会使物体的边缘出现彩色条纹，降低图像的清晰度和辨识度。高级球差和彗差也是双波段系统中需要重点关注的像差。球差是指轴上点发出的同心光束经光学系统各个球面折射以后，不再是同心光束，其中与光轴成不同角度的光线交光轴于不同的位置上，相对于理想像点有不同的偏离。高级球差会使成像点变得模糊，影响图像的细节分辨率。彗差则是轴外物点发出的宽光束，经透镜成像后不再交于一点而是形成一种不对称的成彗星状的弥散斑。高级彗差会导致图像的对称性遭到破坏，使轴外物点的成像质量下降。在实际应用中，这些像差会严重影响系统对目标的识别和分析能力。例如，在安防监控中，若存在严重的高级球差和彗差，可能会导致对目标物体的形状、大小等特征的误判。3.1.2双波段齐焦困难可见、中波红外之间中心波长差距大是导致双波段齐焦困难的主要原因。可见光的波长范围在0.38-0.76μm，而中波红外的波长范围为3-5μm，这种巨大的波长差异使得光线在光学系统中的传播特性和成像规律存在显著不同。在传统的单波段光学系统中，通过合理设计光学元件的参数，如透镜的曲率半径、厚度等，可以相对容易地实现成像光线的聚焦。但在双波段共口径连续共变焦光学系统中，要使两个波段的光线在整个变焦过程中始终保持在同一焦平面上成像，难度极大。因为不同波长的光线在相同的光学元件上的折射和聚焦特性不同，中心波长差距大意味着这种差异更为明显。例如，对于一个特定的透镜组，可见光可能在某一位置聚焦清晰，但中波红外光线可能会在不同的位置聚焦，导致无法实现双波段齐焦。双波段齐焦困难会给系统的应用带来诸多不便。在实际使用中，若双波段不能齐焦，可能需要频繁调整焦距才能分别获取清晰的可见光和中波红外图像，这不仅降低了工作效率，还可能导致错过重要信息。在军事侦察中，需要快速切换观察波段以应对不同的战场环境，若双波段齐焦困难，可能会延误战机，影响作战效果。3.1.3材料选择困境能同时透过双波段的材料有限，这是双波段共口径连续共变焦光学系统设计面临的另一个难题。由于可见光和中波红外的波长范围不同，对材料的光学性能要求也有所差异。要找到一种既能在可见光波段具有良好透过率，又能在中波红外波段保持较高透过率的材料并不容易。目前，虽然已经有一些材料能够满足双波段透过的基本要求，如ZnS、CaF₂等，但这些材料的性能仍存在一定的局限性。不同材料的色散系数、折射率等光学特性各不相同，这会对系统的成像质量产生重要影响。色散系数较大的材料可能会导致更严重的色差问题，而折射率不合适的材料可能会影响光线的聚焦效果。材料的机械性能、热稳定性等因素也需要考虑。在实际应用中，光学系统可能会面临各种复杂的环境条件，如温度变化、机械振动等，材料的性能稳定性直接关系到系统的可靠性。若材料的热膨胀系数较大，在温度变化时可能会导致光学元件的形状发生改变，从而影响系统的成像性能。材料的成本也是一个重要的限制因素。一些性能较好的双波段材料往往价格昂贵，这增加了系统的制造成本，限制了双波段共口径连续共变焦光学系统的大规模应用和推广。在商业应用中，成本是一个关键因素，过高的成本会使产品失去市场竞争力。因此，如何在满足光学性能要求的前提下，选择成本合理的材料，是双波段光学系统设计中需要解决的重要问题。3.2解决方案探讨3.2.1基于双波段齐焦理论的设计为实现双波段共口径连续共变焦光学系统的双波段齐焦，本文采用双波段齐焦理论作为设计基础。在变倍组、补偿组及可见像差补偿组建立理想近轴薄透镜模型，这是实现双波段齐焦的关键步骤。通过该模型，能够使双波段变焦光学系统在任意变焦位置处的焦距相同，有效解决了双波段齐焦困难的问题。在建立理想近轴薄透镜模型时，需要考虑多个因素。首先，要明确双波段的中心波长，如可见光波段中心波长约为0.55μm，中波红外波段中心波长约为4μm。根据这些波长，结合双波段齐焦理论，确定薄透镜的光焦度和曲率半径等参数。对于变倍组中的薄透镜，其光焦度的变化要能够实现焦距的连续变化，同时保证双波段的焦距始终相等。在变焦过程中，变倍组的薄透镜光焦度逐渐改变，通过精确计算和优化，使可见光和中波红外在各个变焦位置的焦距差值控制在极小范围内，满足双波段齐焦的要求。补偿组的薄透镜则主要用于补偿变倍组移动时产生的像面位移和像差变化，确保双波段在整个变焦过程中始终保持在同一焦平面上成像。例如，当变倍组向物方移动导致像面后移时，补偿组的薄透镜会相应地调整光焦度和位置，使像面回到原来的位置，同时保证双波段的成像质量不受影响。可见像差补偿组的薄透镜用于校正系统中产生的像差，进一步提高成像质量。通过合理设计该组薄透镜的参数，可以有效减小球差、彗差、垂轴色差等像差，使双波段的成像更加清晰、准确。在实际设计过程中，还需要考虑透镜材料的选择。不同的材料具有不同的光学性能，如折射率、色散系数等，这些性能会直接影响透镜的成像质量和双波段齐焦效果。因此，要根据双波段的特点和系统的设计要求，选择能够同时透过双波段且光学性能优良的材料。3.2.2消色差设计方法为了有效减小双波段共口径连续共变焦光学系统的色离焦问题，本文采用三片消色差设计方法。这种方法基于三片薄透镜消色差理论，在变倍组和补偿组中合理选择材料，使不同波长的光经过光学系统时所表现出来的光焦度相等，从而实现消色差的目的。在消色差设计中，材料的选择至关重要。首先，要根据可见光和中波红外的中心波长，选择合适的材料组合。例如，对于可见光（0.38-0.76μm）和中波红外（3-5μm）光学系统，需要找到在这两个波段都具有良好透过率且色散系数合适的材料。常用的能同时透过中波红外波段和可见波段的材料有ALN、BaF₂、MgF₂、KCL、MgO、IRG11、IRG2、IRG3、ZnS_BROAD、CAF₂等，它们在可见光和中波红外波段的折射率和色散系数各不相同。根据消色差理论，要满足可见光、中波红外的中心波长λ₁和λ₂经过光学系统时所表现出来的光焦度相等，即在不同组元上所体现的光焦度分配需满足特定公式：\begin{cases}\varPhi_{11}\nu_{11}+\varPhi_{12}\nu_{12}=0\\\varPhi_{21}\nu_{21}+\varPhi_{22}\nu_{22}=0\end{cases}式中，可见光、中波红外在中心波长λ₁和λ₂处的光焦度分别为Φ₁和Φ₂，系统的色散系数分别为v₁和v₂。为了进一步减小色离焦问题，在两片透镜消色差的基础上引入可见光最短波长λ₃，使其在各个波长上的光焦度都相等。不同波长处光焦度相等的关系由更复杂的公式确定：\begin{cases}\varPhi_{11}\nu_{11}+\varPhi_{12}\nu_{12}+\varPhi_{13}\nu_{13}=0\\\varPhi_{21}\nu_{21}+\varPhi_{22}\nu_{22}+\varPhi_{23}\nu_{23}=0\\\varPhi_{31}\nu_{31}+\varPhi_{32}\nu_{32}+\varPhi_{33}\nu_{33}=0\end{cases}将相关公式代入，在总的光焦度不变的情况下，计算出每一片透镜所需要的光焦度。材料组合的选择性原则为：组合透镜对系统双波段的最小离焦量和绝对最小光焦度组合透镜不是最佳的透镜组组合，最佳透镜组组合的评定与所设计系统的相对孔径和视场角度有关系。在对变倍组补偿组进行双波段优化设计时，首先考虑光焦度和消色差的要求，即满足三片薄透镜消色差理论。为了更好地平衡系统的单色像差，在设计过程中尽可能使所有透镜的光焦度的绝对值尽可能小，这样系统对单色像差的平衡能力越强。最好的消色差组合透镜可以用三种材料的色差系数图所围成的面积来表示，面积越大，即三种材料对于局部透镜组的光焦度越小，矫正色差能力越强。结合双波段材料色差系数图，经过匹配得出变倍组用MgF₂/KCL/IRG2组合消色差效果最好，补偿组由三片透镜组成，分别由双凸正透镜和两片双弯月正透镜组成，双凸透镜材料为ZNS_BROAD，两片双弯月正透镜材料分别为MgF₂/ALN，其组成的光焦度为-1。通过这种材料选择和光焦度分配方式，能够有效减小系统的色离焦问题，提高成像质量。3.2.3透镜结构优化在双波段共口径连续共变焦光学系统的设计中，透镜初始结构的形状对像差的校正能力起着关键作用。相同光焦度的透镜，由于折射率不同，其校正像差的能力也不同。透镜形状的差异会导致光线在透镜表面的折射情况不同，进而影响像差的大小和分布。在变倍组和补偿组中，为了有效校正双波段之间大量的垂轴色差，仅靠材料的匹配是不够的，还需要对透镜结构进行优化。系统在优化设计过程中，优化量最大的是系统的曲率半径，即透镜形状对像差的校正尤为重要。通过改变透镜的曲率半径，可以调整光线的传播路径和折射角度，从而实现对像差的有效控制。例如，在光焦度C₁=0.02的形状下，透镜所产生的球差、垂轴色差、畸变最小，但是此时的场区和象散比较大。虽然在该形状下透镜对于象散和色差的矫正能力较强，但会导致系统存在大量的高级像差，对于系统平衡像差来说，并非最佳选择。为了更好地平衡系统像差，根据光焦度相同不同形状校正像差的能力，搭建出三片式变倍组合补偿组。重新匹配光焦度结构，使透镜的形状和参数更加合理。在变倍组中，通过优化透镜的曲率半径，使透镜在不同变焦位置下都能有效地校正像差，同时保证双波段的焦距变化满足设计要求。对于补偿组，同样通过调整透镜的曲率半径，使其能够更好地补偿变倍组移动时产生的像面位移和像差变化。在优化过程中，还需要考虑透镜之间的间隔和相对位置，以确保整个光学系统的性能达到最优。通过对透镜结构的优化，可以有效提高双波段共口径连续共变焦光学系统的成像质量，使其满足实际应用的需求。四、双波段共口径连续共变焦光学系统设计案例分析4.1云南北方光电的专利案例4.1.1专利技术介绍云南北方光电仪器有限公司于2024年11月提交的“可见光与近红外激光共口径共光路的连续变焦光学系统”专利，在双波段共口径连续共变焦光学系统领域具有重要的创新意义。该专利聚焦于优化可见光与近红外激光的共口径光路，其光学系统从物侧到像侧共光轴依次设置了十二个透镜，这些透镜均采用高质量的光学玻璃或光学晶体材料，确保了光线在经过过程中的有效传递和成像清晰度。此专利的核心在于实现了双波段共光路的变焦形式，即可见光波段和近红外波段能够同时变焦互成像。这一设计突破了传统光学系统的局限，传统光学系统通常需要额外的分光镜和补偿透镜组来实现多波段成像，而该专利系统摒弃了这些复杂组件，使得成像能够集中于同一焦面。这种创新设计不仅简化了光学系统的结构，还提升了成像效率，为双波段共口径连续共变焦光学系统的发展提供了新的思路和方法。4.1.2系统结构与性能分析从系统结构来看，该专利的双波段共光路连续变焦光学系统由多个精心设计的透镜组成。这些透镜的排列和参数设置经过了精确计算和优化，以实现双波段的共口径连续共变焦功能。前固定组的透镜负责初步汇聚光线，为后续的变倍和补偿过程提供稳定的光线输入；变倍组的透镜通过精确的位置调整，实现了焦距的连续变化，满足了不同观测距离和场景的需求；补偿组的透镜则与变倍组协同工作，有效补偿了因变倍而产生的像面位移和像差变化，确保了成像的稳定性和清晰度；后固定组的透镜对光线进行最后的聚焦和成像，将清晰的双波段图像呈现在像面上。在性能方面，该系统展现出了诸多优势。成像效率得到了显著提升，由于摒弃了分光镜和补偿透镜组，光线的能量损失减少，成像更加清晰、明亮。系统的体积和重量大幅减小，这使得该系统在一些对设备体积和重量有严格要求的应用场景中具有明显的优势，如便携式安防监控设备、无人机搭载的光学侦察设备等。装配难度和成本也得到了有效降低，简化的系统结构使得装配过程更加简单，减少了因装配误差导致的性能下降，同时也降低了生产成本，提高了产品的市场竞争力。4.1.3应用领域与前景该专利的双波段共口径连续共变焦光学系统在多个领域具有广泛的应用前景。在环境监测领域，它可以同时获取可见光和近红外波段的光谱信息，用于分析大气污染、水体质量、植被覆盖等环境参数。通过可见光波段，可以清晰地观察到地表的物体和地形特征，而近红外波段则能够穿透云层和烟雾，获取更全面的环境信息，为环境监测和保护提供更准确的数据支持。在医学影像领域，该系统能够通过同时捕捉可见光和近红外光信号，提供更为详尽的成像数据，帮助医生更准确地进行诊断。在肿瘤检测中，可见光可以显示肿瘤的表面形态，而近红外光则能深入组织内部，检测肿瘤的边界和内部结构，提高肿瘤的早期诊断准确率。在安全监控领域，该系统可以实时监测不同场景下的目标，无论是白天的可见光图像还是夜间的近红外图像，都能为监控人员提供全面的信息，及时发现异常情况，保障公共安全。随着人工智能和光学技术的不断融合，该技术还有望与AI技术相结合，进一步提升图像清晰度与细节，实现实时数据分析和深度学习的应用支持。AI图像处理技术可以对双波段图像进行智能分析和处理，提高图像的质量和信息提取效率，为各领域的应用提供更强大的技术支持。可以预见，该专利技术在未来的市场中具有广阔的发展前景，将为相关行业带来新的发展机遇和变革。4.2其他典型案例分析4.2.1案例选取与介绍除了云南北方光电仪器有限公司的专利案例外，还有其他一些具有代表性的双波段共口径连续共变焦光学系统设计案例。例如，某国外科研团队设计的一款应用于军事侦察的双波段共口径连续共变焦光学系统，该系统涵盖了可见光和长波红外两个波段。其光学系统采用了独特的折反射式结构，在传统折射透镜的基础上，引入了反射镜来改变光线传播路径。这种结构的优势在于能够有效减小系统的体积和重量，同时提高光学系统的稳定性和可靠性。在变倍组和补偿组的设计上，该系统采用了高精度的机械驱动装置，实现了透镜的精确移动，从而保证了焦距的连续变化和像面的稳定。在国内，也有高校的研究团队设计了一款用于安防监控的双波段共口径连续共变焦光学系统，主要针对可见光和中波红外波段。该系统采用了模块化设计理念，将光学系统分为多个功能模块，如前固定组模块、变倍组模块、补偿组模块和后固定组模块等。这种设计便于系统的组装、调试和维护，同时也提高了系统的通用性和可扩展性。在材料选择方面，该系统充分考虑了双波段的透过率和色散特性，选用了多种新型光学材料，如具有低色散、高透过率特性的光学晶体材料，有效提高了系统的成像质量。4.2.2案例对比与总结通过对这些不同案例的对比分析，可以总结出双波段共口径连续共变焦光学系统设计思路和方法的异同。在相同点方面，各个案例都致力于实现双波段的共口径连续共变焦功能，都需要解决像差校正、双波段齐焦以及材料选择等关键问题。在像差校正方面，都采用了优化透镜结构、选择合适材料等方法来减小像差，提高成像质量。在双波段齐焦方面，都基于一定的理论基础，如双波段齐焦理论，通过合理设计光学系统的参数，使双波段在变焦过程中保持齐焦。在材料选择方面，都注重选择能够同时透过双波段的材料，并考虑材料的光学性能、机械性能和成本等因素。不同案例在设计思路和方法上也存在一些差异。在光学系统结构上，有的采用传统的折射式结构，有的则采用折反射式结构或模块化设计。折射式结构相对简单，易于加工和调试，但在减小体积和重量方面可能存在一定局限性；折反射式结构则能够在一定程度上克服这些问题，提高系统的性能，但结构相对复杂，对加工和装配精度要求较高。模块化设计则提高了系统的通用性和可扩展性，便于系统的升级和维护，但可能会增加系统的复杂性和成本。在变倍和补偿方式上，不同案例也有所不同。有的采用机械驱动的方式实现透镜的移动，有的则采用电动或液压驱动方式。不同的驱动方式具有不同的优缺点，机械驱动方式结构简单、成本较低，但精度和速度可能有限；电动驱动方式精度高、响应速度快，但成本较高；液压驱动方式则具有较大的驱动力，但对系统的密封性和稳定性要求较高。在材料选择和应用方面，不同案例根据自身的需求和技术条件，选择了不同的材料组合和应用方式。一些案例注重材料的光学性能，选择了高性能的光学材料来提高成像质量；另一些案例则在考虑光学性能的同时，更注重材料的成本和可加工性，以降低系统的制造成本。这些案例为后续的双波段共口径连续共变焦光学系统设计提供了重要的参考。在未来的设计中，可以借鉴这些案例的成功经验，结合实际应用需求和技术发展趋势，不断优化设计思路和方法，提高光学系统的性能和可靠性。可以进一步研究新型的光学结构和材料，探索更有效的像差校正和双波段齐焦方法，以满足不断提高的应用需求。五、双波段共口径连续共变焦光学系统的应用领域5.1环境监测领域应用在大气污染监测方面，双波段共口径连续共变焦光学系统发挥着重要作用。大气中的污染物种类繁多，如二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）等，这些污染物会对空气质量和人体健康造成严重影响。双波段光学系统可以利用不同波段的特性来监测这些污染物。例如，在可见光波段，通过对光线的散射和吸收特性进行分析，可以检测大气中的颗粒物浓度和分布情况。当光线穿过含有颗粒物的大气时，颗粒物会散射光线，导致光线的强度和颜色发生变化，双波段光学系统可以捕捉这些变化，并通过算法分析出颗粒物的浓度和粒径分布。在红外波段，某些污染物如二氧化硫、氮氧化物等会在特定波长处产生吸收峰，通过测量这些吸收峰的强度，可以准确测定污染物的浓度。双波段共口径连续共变焦光学系统能够在不同天气和光照条件下，通过连续变焦功能，对大面积的大气进行监测，获取高分辨率的图像和光谱信息，为大气污染的实时监测和预警提供准确的数据支持。在雾霾天气中，双波段光学系统可以利用红外波段的穿透能力，清晰地观测到雾霾的分布范围和浓度变化，及时发现污染源头，为采取相应的治理措施提供依据。在水质监测方面，双波段共口径连续共变焦光学系统同样具有独特的优势。水体中的污染物包括化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮、重金属离子等，这些污染物会影响水体的生态平衡和人类健康。双波段光学系统可以通过分析不同波段的光与水体中污染物的相互作用来实现水质监测。在可见光波段，水中的悬浮颗粒物、藻类等会对光线产生散射和吸收，通过测量光线的散射和吸收特性，可以判断水体的浑浊度和藻类含量。在近红外波段，水中的某些有机污染物和重金属离子会有特定的吸收光谱，通过检测这些吸收光谱，可以准确测定污染物的种类和浓度。双波段共口径连续共变焦光学系统可以通过连续变焦，对不同区域的水体进行监测，获取全面的水质信息。在河流监测中，系统可以从远处对河流进行大范围的观测，确定污染区域的大致位置，然后通过变焦功能，对污染区域进行近距离的详细监测，获取准确的污染物浓度数据，为水资源保护和污染治理提供科学依据。在生态监测方面，双波段共口径连续共变焦光学系统可以用于监测植被覆盖、生物多样性等生态指标。植被在可见光和近红外波段具有不同的反射特性，通过分析这些特性，可以获取植被的生长状况、覆盖面积、健康程度等信息。在可见光波段，植被的绿色部分对绿光有较强的反射，通过测量绿光的反射强度，可以判断植被的叶绿素含量，从而了解植被的生长状况。在近红外波段，植被的叶片结构和水分含量会影响光线的反射，通过测量近红外光的反射强度，可以获取植被的水分含量和叶片结构信息，评估植被的健康程度。双波段光学系统可以通过连续变焦，对不同尺度的生态区域进行监测，从宏观上了解生态系统的变化趋势，为生态保护和可持续发展提供数据支持。在森林监测中，系统可以对大面积的森林进行观测，了解森林的覆盖范围和生长状况，及时发现森林病虫害和火灾隐患，保护森林生态系统的平衡。5.2医学影像领域应用在疾病诊断方面，双波段共口径连续共变焦光学系统展现出了独特的优势。该系统能够同时捕捉可见光和近红外光信号，提供更为详尽的成像数据，为医生的诊断工作提供有力支持。在皮肤科疾病诊断中，可见光可以清晰地显示皮肤的表面特征，如皮疹、红斑、色素沉着等，帮助医生直观地观察皮肤病变的形态和位置。而近红外光则能够穿透皮肤表层，深入到皮下组织，获取皮肤深层结构的信息，如血管分布、毛囊状态、皮下肿物等。通过对可见光和近红外光图像的综合分析，医生可以更全面地了解皮肤病变的情况，提高诊断的准确性。对于一些早期的皮肤癌病变，可见光图像可能仅显示出轻微的皮肤颜色变化或表面纹理异常，而近红外光图像则可以揭示病变部位的血管增生、组织密度改变等细微特征，有助于早期发现和诊断皮肤癌，为患者争取更多的治疗时间。在手术导航方面，双波段共口径连续共变焦光学系统也发挥着重要作用。在手术过程中，实时、准确的图像引导对于确保手术的顺利进行和提高手术成功率至关重要。该系统可以为医生提供高分辨率的手术区域图像，帮助医生清晰地识别手术部位的解剖结构，避免损伤周围的重要组织和器官。在神经外科手术中，可见光图像可以显示头皮、颅骨和大脑表面的情况，而近红外光图像则能够穿透颅骨，提供大脑内部组织的信息，如肿瘤的位置、边界和周围血管的分布。医生可以根据这些图像，精确地定位肿瘤，制定手术方案，选择最佳的手术路径，从而减少手术创伤，提高手术的安全性和有效性。在肝脏手术中，系统可以通过双波段成像，清晰地显示肝脏的血管、胆管和肿瘤的关系，帮助医生在切除肿瘤的同时，最大限度地保留正常的肝脏组织和功能。双波段共口径连续共变焦光学系统对医疗水平的提升作用是多方面的。它能够提高疾病诊断的准确性和及时性，减少误诊和漏诊的发生。通过提供更全面、详细的图像信息，医生可以更准确地判断疾病的类型、程度和发展阶段，从而制定更合理的治疗方案。该系统在手术导航中的应用，有助于提高手术的精度和安全性，减少手术并发症的发生，促进患者的术后恢复。它还为医学研究提供了更强大的工具，有助于推动医学科学的发展。通过对双波段图像的深入分析，科研人员可以更好地了解人体组织和器官的结构与功能，探索疾病的发病机制和治疗方法，为开发新的诊断技术和治疗手段提供理论支持。5.3安全监控领域应用在安防监控方面，双波段共口径连续共变焦光学系统发挥着至关重要的作用。该系统能够实时监测不同场景下的目标，无论是白天的可见光图像还是夜间的红外图像，都能为监控人员提供全面的信息，及时发现异常情况，保障公共安全。在城市街道的监控中，白天通过可见光波段，系统可以清晰地捕捉到行人和车辆的活动情况，识别车辆牌照、人员面部特征等关键信息，为交通管理和治安维护提供有力支持。当夜幕降临或遇到恶劣天气，如雾霾、暴雨等，可见光波段的成像效果会受到严重影响，此时双波段共口径连续共变焦光学系统的红外波段则能发挥优势。红外波段能够穿透雾霾和雨水，通过检测物体发出的红外辐射，获取目标的热图像，即使在黑暗中也能清晰地显示出人体和车辆的轮廓，帮助监控人员及时发现潜在的安全威胁。该系统的连续共变焦功能可以让监控人员根据实际需要，灵活调整焦距，对远处的目标进行放大观察，或者对大面积区域进行快速扫描，提高监控效率。在军事侦察中，双波段共口径连续共变焦光学系统同样具有不可替代的价值。它能够为军事行动提供准确的情报支持，帮助军事人员在复杂的战场环境中获取目标信息，制定作战计划。在边境侦察中，双波段光学系统可以通过可见光波段对边境地区的地形、建筑和人员活动进行详细观察，了解敌方的军事部署和行动规律。在夜间或隐蔽行动中，红外波段可以探测到敌方人员和装备发出的热信号，即使目标隐藏在掩体或植被中，也能被发现。通过连续共变焦功能，军事人员可以在远距离对敌方目标进行精确观察，获取目标的细节信息，如武器装备的类型、数量等，为军事决策提供依据。该系统还可以安装在无人机、卫星等平台上，实现对大面积区域的快速侦察，提高军事侦察的效率和范围。双波段共口径连续共变焦光学系统对保障安全的重要性不言而喻。它通过整合可见光和红外波段的优势，实现了全天候、全方位的监控和侦察能力。在面对各种复杂的安全威胁时，该系统能够及时提供准确的信息，帮助相关人员做出快速反应，采取有效的措施应对危机。在城市安防中，它可以协助警方快速侦破案件，打击犯罪活动，维护社会秩序；在军事领域，它可以提高军队的作战能力，保障国家的安全和