为满足深海探测需求，实现深海中更高质量成像，设计了深海专用的连续变焦光学系统，该系统同时具备短焦大视场、高分辨率、高变倍比的特点。根据在深海中使用环境，考虑了深水压对光学窗口挤压变形造成的像质下降，对光学窗口进行光机集成分析，将面形变化结果以Zernike多项式的形式代入光学系统中进行优化。对水下光学像差特点和变焦系统的设计方法进行研究后，光学系统采用机械式负组补偿变焦方式和像方远心设计方案。该系统工作距为5 m，变焦全程F数恒定为3.0，可实现全视场角5.7°~90°范围内可调，10倍连续光学变焦。变焦系统使用三片非球面，系统总长为260 mm。在208 lp/mm处，整个变焦区域内全视场的调制传递函数值均大于0.3，另外系统各变焦位置的最大畸变均小于3%。所提变焦系统结构紧凑，成像质量良好，变焦曲线平滑，可以满足实际应用的需要。

采用机械补偿法变焦型式, 建立两组元连续变焦光学系统模型, 在该模型的制导下, 针对中波640×512、像素尺寸15 μm制冷型焦平面阵列探测器, 设计了一款立体布局的高变倍比连续变焦光学系统。该系统工作波段为3.5 μm~4.8 μm, 焦距范围覆盖30 mm~500 mm, 工作温度范围覆盖-40℃~+60℃, 变焦过程中F数恒定为4, 系统变焦全过程具有100%冷光阑效应。设计过程中对系统冷反射进行了详细分析, 对凸轮曲线进行优化设计。设计结果表明: 该系统在08视场内, 全温度范围的光学调制传递函数在33 lp/mm处大于0.25, 在25 lp/mm处大于0.4; 全视场公差作用下系统传递函数在33 lp/mm处大于0.13。该系统具有变焦轨迹平滑, 冷反射抑制特性优良, 成像质量佳, 环境适应性好等优点。

针对传统红外连续变焦系统难以同时满足高变倍比和大相对口径的使用要求, 通过采用复合变焦光学系统结构, 增加传统红外连续变焦光学系统的变焦距范围和相对口径。基于长波红外320×240像元、25 μm×25 μm非制冷焦平面探测器, 设计了一款高变倍比大相对口径长波红外变焦光学系统,光学系统由一个连续变焦部分与两档变焦部分组成, 通过引入衍射光学元件校正长焦端色差, 工作波段为8 μm～12 μm, 焦距变化范围为-9 mm～-272.25 mm, F数为1.4。该系统具有成像质量好、变倍比高、相对口径大、导程小和凸轮曲线平滑等优点。

针对常用变焦结构在实现大变倍连续变焦时存在的各类问题, 从变焦系统设计的基本理论出发, 提出了一种可用于大变比光学系统设计的两级串联变倍模型, 给出了相应的变焦方程及凸轮曲线设计的优化控制条件和方法。该模型由两组元连续变焦前组和具有变倍放大功能的二次成像后组串联组成, 通过移动前组中的变倍组与补偿组实现一级变倍; 通过移动补偿组与二次成像组中的二级变倍组, 对前组焦距进行二级放大, 扩大整个成像系统的变倍能力, 同时, 二次成像组还压缩了物镜口径, 保证了冷阑匹配。完成了一个大变比连续变焦光学系统设计, 该系统工作波段为3.7~4.8 μm, 采用640×480制冷型面阵探测器, 像元大小15 μm, F数恒定为4, 可以实现6.5~455 mm、水平视角0.92°~58.2°、达70倍的连续变焦功能, 仅采用了两种材料, 十片透镜, 总长300 mm, 具有优良的成像质量和公差特性。

为了提高变焦光学系统在复杂环境下的高分辨率探测能力，解决现有多波段光学系统中光路转换和波段切换耗时长、系统反应慢、不同波段目标信息存在差异的问题，设计了一种可见光（0.38～0.76 μm）、中红外（3～5 μm）共口径连续共变焦光学系统，系统工作焦距为7.52～98.35 mm，变焦比为13×.基于正组补偿变焦理论分析了任意变焦位置处可见光、中红外变焦比的差异及其变化规律，推导了三片薄透镜消色差理论和双波段焦距补偿表达式.对变倍组和补偿组的光焦度进行合理匹配，使系统在任意变焦位置处的焦距及变焦比都相同，提高了双波段目标信息的一致性.根据使用要求，采用光学被动式完成双波段光学系统在－40~+60℃温度范围内的消热差设计.设计结果表明，系统结构紧凑，反应速度快，整体成像质量良好，可实现昼夜全天候工作.

为了模拟红外目标由远及近的飞行过程，结合高变倍比红外连续变焦系统与大口径投影系统设计了一款红外目标模拟系统.连续变焦系统变倍比为20倍，工作波段为8~12 μm，大口径投影系统口径为300 mm，工作温度为-30~40℃.基于对系统参数的计算与分析，通过推导的消热差及消色差方程对材料进行合理选择及光焦度分配，实现了光学被动消热差设计，应用动态光学理论对变焦凸轮运动曲线进行了计算与绘制.系统成像质量分析结果表明，变焦过程中像面稳定，成像质量良好.该系统可以实现高倍率红外目标飞行距离的连续变化模拟，具有变倍比高，体积小，像质好，环境适应能力强等特点.

设计了一套焦距f′=10 mm~500 mm的高变倍比变焦光学系统。以正组机械补偿原理为基础, 通过高斯光学计算, 给出合理的初始结构和高斯解。系统引入2个新型非球面, 使系统具有更大的自由度, 并有效校正光学系统中的像差, 减小系统复杂度, 对实现高变倍比变焦系统尤为有利。采用一组双层谐衍射元件来校正长焦所带来的二级光谱, 减少了透镜片数, 使系统更加紧凑。分析了10 mm~500 mm焦距情况下系统的调制传递函数曲线, 计算出变倍组和补偿组的变化曲线, 可以看出满足机械补偿凸轮曲线的变化规律, 而且曲线的变化比较平滑, 能够实现平稳变焦。在奈奎斯特频率为50 lp/mm时, 调制传递函数曲线均在0.6以上。