采取将变倍组、补偿组、后固定组分开进行联动的方式对传统光学补偿连续变焦中波红外光学系统进行改进,获得了超长焦距、超大视场、大变倍比、小型化的光学系统。推导了其数学模型,基于该模型采用640×512制冷型中波探测器,设计了焦距为11.56~982.6 mm、变倍比为85×的连续变焦光学系统,该光学系统的应用波段为3.6~4.9 μm,F数为5.5,冷屏效率为100%。设计结果显示,该光学系统的外形尺寸为333.5 mm×125 mm(局部直径为177.5 mm)×80 mm(局部直径为180 mm),结构紧凑,变焦过程中变倍补偿曲线平滑、像面稳定。从点列图、光学传递函数、畸变等方面对该光学系统的像质进行评价,结果表明,其像质优良,分辨率高,可满足热像仪整机使用要求。

在一些环境比较恶劣的情况下,需要密封使用的变倍望远镜,经常会将转像及变焦集成到目镜上,这样更有利于整体进行密封设计。因此设计了一种在可见光波段具有实像面转像变焦目镜的方案。通过对目镜初始结构的分析,高斯光学的计算,运用Zemax软件对选定结构进行优化设计,得到三组元4倍变焦目镜。目镜在变焦时入瞳的位置保持不变,出瞳位置的变化在3 mm之内。传递函数曲线、畸变和倍率色差均符合目视光学系统的设计要求。根据动态光学理论,用Matlab软件设计了凸轮曲线,使得变焦的过程中像面比较稳定,调焦平滑。虽然目镜结构略显复杂,但光学镜片均采用球面,降低了整体目镜的成本,而且便于加工装配。

针对三组式伸缩型结构高倍率变焦距镜头设计进行了研究。对含中间固定组的三组式结构高斯光学进行了讨论, 给出了高倍率设计的高斯解范围和选取原则, 并编制了可视化辅助设计软件, 为高斯参数的最优化选取提供条件。采用这种结构设计了一套焦距12~600 mm、变倍比50倍、视场角0.85°~41.2°的伸缩型变焦距镜头, 短焦时前片至像面175 mm、长焦时为309 mm, 长焦端远摄比达0.51; 各焦距位置在100 lp/mm处轴上视场调制传递函数(MTF)大于0.3, 边缘视场MTF大于0.2, 同时系统具有小型、便携的特点。

针对制冷式640×512元凝视焦平面阵列探测器，设计了结构紧凑的高性能机械补偿30倍连续变焦光学系统.该系统采用新颖的三组元变倍形式和三次成像方法设计.工作波段为3.7 ~ 4.8 μm，F/# =4，变焦范围750 ~25 mm.首先利用光学设计软件给出了系统的光学外形结构图; 然后，进行了像质评价分析，变焦曲线分析，温度环境适应性分析和冷反射分析; 最后，介绍了该系统应用微扫描成像技术提高分辨率的方法.结果表明，该光学系统在空间频率30 lp/mm处的光学传递函数 ( MTF) 值均接近衍射极限, 弥散斑直径的均方根 ( RMS) 值均小于15 μm.变焦曲线平滑，且移动组最大行程小于71 mm.移动组透镜的轴向移动可完成系统调焦及温度补偿.光学系统满足100 %冷光阑效率，在-40 ~60 ℃温度范围内均有良好的像质.同时，满足新一代机载前视红外( FLIR)系统的要求.

基于车载观瞄模拟系统的使用要求，根据高斯光学设计理论，运用Zemax光学设计软件设计了一种三组元变焦目镜。为了获得较好的像质及长出瞳距，目镜结构采用三组元结构。同时，为了使目镜在连续变焦时入瞳位置保持不变，将出瞳位置设为变量进行优化。最终设计结果为：焦距f=13.35 mm～24.11 mm，出瞳距离L=20.1 mm～27.5 mm,出瞳直径D约为8 mm，像面变化范围y′=4.6 mm～13.6 mm，变焦目镜变倍比约为1.83倍。在50 lp/mm时，4个组态MTF均大于0.3，且各组态点列图均小于艾利斑半径，高于人眼分辨极限，满足使用要求。最后利用Matlab软件编写程序进行曲线拟合，给出了三组元之间的3个间距和所对应系统焦距的变化曲线，拟合精度达0.01 mm。