根据连续变焦理论模型, 编制连续变焦计算程序, 求得变焦系统初始解, 建立理想光学模型, 通过选材选型及迭代优化, 实现仅由 4片红外透镜及两片平面反射镜组成的中波红外连续变焦光学系统。该系统 F#为 4、工作波段为 3.7～4.8 .m、视场变化范围为 20°×16°～2.0°×1.6°、光学零件最大口径为 71 mm、零件总重 64 g, 系统包络为 172 mm×108 mm, 系统采用两个二元衍射面用于消色差, 通过材料合理配置及主动补偿实现系统消热差设计。该中波红外连续变焦光学系统重量轻、总长短、包络小, 在－40℃～＋60℃温度范围全视场成像质量良好。

基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪。首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号。然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正。最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400~900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm。

为了增大视场角、提高探测距离，本文设计了一款采用 640×512面阵非制冷机芯的红外成像导引头。首先分析了红外成像导引头多种结构型式，结合本文设计要求的特点，选择了万向支架式的结构型式；其次对红外导引头光学系统进行像质优化，并对框架角及盲区的满足情况开展分析；最后以实物样机的试验情况，说明此红外成像导引头成像质量良好，能满足搜索、跟踪目标的要求。

图像融合的配准精度是关系到图像融合质量的一个重要性能指标。本文所述的红外与可见光图像融合物镜系统采取平行光路布局、光学被动热补偿的方式提高图像融合的配准精度。本文首先分析对比了机械热补偿方式与光学热补偿方式对提高图像配准精度的贡献；其次根据图像融合物镜系统的性能指标对红外物镜和可见光物镜进行光学被动热补偿的优化设计，并分析了对可见光物镜进行光学被动热补偿设计的必要性；第三从光学布局型式及畸变变化来分析图像融合物镜系统的图像配准精度；最后根据图像融合物镜系统的成像质量和图像配准效果，可得出融合图像质量好、能满足指标要求的结论。

基于中波制冷型640 pixel×512 pixel(15 ?滋m)凝视焦平面探测器, 设计了远距离探测/识别的高清晰大变倍比连续变焦热像仪。该热像仪变倍比为35, 长焦处瞬时视场(IFOV)为 0.027 mrad/pixel, 在标准大气环境中观察视场角为35°×28°, 能够对4 m×3 m×2.3 m尺寸的车辆进行55 km处探测、15 km处识别(识别概率为50%), 满足现代光电**系统的远距离作战需要。热像仪采用平滑的变倍-补偿曲线光学系统设计、单导轨/双滑块变焦结构技术、自适应伺服控制技术以及红外图像增强技术, 获得了在整个大变倍比的连续变焦过程中图像始终清晰并且无间断点。在奈奎斯特频率处(18 cyc/mrad)进行最小可分辨温差(MRTD)测试, 测试结果表明该热像仪性能优良, 证明该热像仪的各项关键技术实现了从理论设计到整机系统的工程化研究。

基于图像处理的自动聚焦方法, 图像清晰度评价函数的选择很重要。图像熵函数作为清晰度评价函数在不同文献中有一些形式上的变化, 且关于聚焦图像评价值对应函数极大值还是极小值的论断不统一。本文详细整理了自动聚焦系统中图像信息熵的不同形式, 比较分析它们的物理意义、数学原理, 采用灰度图像, 重点考虑离焦造成的图像模糊失真, 在 Matlab平台下仿真分析, 得出的结论对具体自动聚焦系统设计时熵函数数学公式的选用和修正提供参考。

介绍了军用热瞄具光学系统各光学元件, 包括窗口、反射镜、透镜和总体机械结构设计、加工和装配要点；基于美国《红外与光电手册》设计中提出的原理和准则, 给出了作者 10余年的工程实践和经验。

采用线列焦平面探测器成像须借助光机扫描覆盖视场，而高线性大摆角的扫描器是实现高性能扫描型热像仪的重要条件。针对基于某支撑技术而研究的大摆角扫描器做光机优化设计，对所需电机驱动转矩进行理论计算和选型，并用 Motion进行仿真验证，验证结果能达到设计要求。

针对采用长线列焦平面红外探测器的高端热像仪发展需求，提出研究高线性大摆角扫描技术。从伪物扫描方式、扫描匹配技术、等时间采样和等角度采样、扫描器控制带宽分析、控制对象系统辨识、数学模型建立和控制器设计实现等方面展开论述，并给出设计验证实例。