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。

为了满足无人机光电载荷的体积和重量要求, 并有效解决传统凸轮机构加工精度要求高、系统易产生机械振荡等问题, 提高系统的响应速度和变焦精度, 对基于步进电机驱动实现连续变焦的直线变倍成像系统进行研究。采用二相混合式步进电机驱动实现机械补偿式变焦系统的变焦聚焦功能。首先, 本文研究了基于步进电机的直线变倍成像系统的工作原理与构成, 完成硬件平台的搭建, 利用单片机控制实现步进电机的加减速过程。然后构造适合本系统的图像清晰度评价函数, 并采用扫描反馈搜索算法完成对镜头焦距值的标定, 将标定结果载入聚焦算法。最后, 完成系统的性能测试。测试结果显示, 采用速度控制模型后, 步进电机的定位误差显著降低, 范围在0010 mm以下, 整个系统的变焦精度远远小于1%, 而且光学性能和外场拍摄性能较好。该基于步进电机的直线变倍成像系统满足无人机光电载荷的适用性要求。

在单圆孔电极液晶透镜基础上进行结构改进,形成双层非对称新型液晶透镜。结合几何光学和液晶理论,利用Zemax模拟并优化该双层结构液晶透镜参数。由Zemax分析可知,在相同的低驱动电压(2.5V_rms~20V_rms范围),0°、3.5°、5°视场角中,双层结构透镜相比于单层结构透镜,可获得更宽的调焦范围,短焦焦距f从19.6172 mm缩小到9.9059 mm;像差显著减小;该光学调制传递函数(MTF)为0.6时,径向分辨率从12.06 lp/mm提高到21.02 lp/mm,提高近一倍,图像解像力和清晰度显著提高,并且高频部分MTF由0.1增加到0.3。最后,实验验证了20V_rms时,双层结构液晶透镜的衍射光斑最小。

针对制冷型320×256双色焦平面阵列探测器, 设计了一套双波段红外光学系统, 用于机载光电探测设备。光学系统采用锗、硒化锌和硫化锌组合实现了无热化设计; 通过引入非球面和谐衍射元件, 很好地校正了系统的色差和轴外像差, 简化了系统结构。光学系统仅由6片镜子构成, 工作波段为3.7~4.8 μm /7.7~9.5 μm波段, F数为2, 满足100%冷光阑效率。像质评价结果表明, 光学系统在-60～+70 ℃全温度范围内, 双波段成像质量良好。

针对制冷型320×256焦平面阵列探测器，设计了一套用于机载光电探测设备的长波连续变焦红外光学系统。光学系统采用锗和硒化锌两种普通红外光学材料，通过引入非球面和衍射面很好地校正了系统的色差和轴外像差，使得系统整个连续变焦过程中16 lp/mm处MTF均大于0.35。系统仅由6片镜子构成，工作波段为7.7~10.3 μm，F数为3，满足100%冷光阑效率，实现了50~400 mm的连续变焦，变焦曲线光滑。像质评价结果表明该系统成像质量良好，结构紧凑。

利用Origin偏移增益指数函数方法, 把传统连续变焦系统测量焦距离散化采样点变成非线性连续化的e指数函数点, 并设计开发一套强实时性, 可裁剪性VxWorks连续变焦显控系统, 能方便直观地修改连续变焦参数, 解决了上述传统连续变焦离散采样点连续化后精度不高的问题, 而且易于用计算机来编程实现。通过试验分析: 这种显控技术不仅实用可靠, 其拟合可信度达到99％以上, 真值比最高可达93.6％, 精度完全满足使用要求。该项技术成功地应用在某项目中, 并对连续变焦光学设备的焦距公式化有很好的通用性和借鉴性。

红外系统对目标进行搜索与探测时，对连续变焦光学系统的需求日益增强，其中一个措施就是改变两个或两个以上透镜在光学系统中的位置，从而改变光学系统的焦距。根据某中波红外光学系统的设计特点，对连续变焦机构的导向机构和凸轮机构进行了详细分析,给出了设计要点和设计结果。试验结果表明：该机构运行平稳、可靠、精度高，光学系统的成像质量高。