随着红外技术的快速发展，SWaP-C （尺寸小、质量轻、功耗低、成本低）概念已深入红外热像仪整机设计全过程。在非制冷连续变焦红外热像仪设计中，相对已模块化的非制冷探测器与成像电路、光学系统影响整机包络尺寸、产品质量及价格成本，因此设计一款总长短、质量轻、成本低、性能高的非制冷长波红外连续变焦光学系统将具有广阔的市场前景。非制冷长波红外连续变焦光学因相对孔径大、光学材料种类少等因素存在系统小型化和无热化设计难题，通过采用变F#设计方法约束物镜尺寸；利用三组联动变焦技术平衡像差、压缩系统总长；通过主动补偿的消热差技术使得系统在−40~+60 ℃温度范围成像质量良好，实现四片透镜构成的非制冷长波红外连续变焦光学系统设计。该系统工作波段为8~12 μm，焦距变化范围为20.7~126 mm，对应F#为1.05~1.2，视场变化范围为21°×16.8°~3.5°×2.8°，变倍比为6.0×，最大物镜直径116 mm，光学系统总长180 mm，光学零件总质量418 g。该光学系统具有轻小型、高性能、低成本等SWaP-C特征，将在无人装备平台及手持热像仪设备中得到广泛应用。

本文提出了一种结合电润湿效应和静电力共同作用的可调偶次非球面液体透镜，利用Comsol Multiphysics软件对非球面液体透镜进行仿真研究，四圆环电极产生的静电力可以灵活地调整液体透镜的面型。利用该液体透镜设计了变焦光学系统，采用Zemax软件获得优化校正像差的非球面方程。作为可调偶次非球面液体透镜的目标面型，调整电润湿电极和四圆环电极上的电压，仿真得到的非球面与目标非球面间的光程均方根误差小于λ/14，满足Marechal判据。在26~30 mm焦距范围内，与环形电极电压为0 V的液体透镜系统相比，环形电极施加调节电压的可调偶次非球面液体透镜变焦距系统有良好的成像效果。

变焦光学系统不仅适用于照相、监控以及显微等日常生活中，还被广泛应用于航空航天及**建设等领域。随着应用范围的扩大，对其性能指标的要求也越来越多，该文设计了一款15 mm ~300 mm的宽光谱四组元连续变焦光学系统。该系统采用正组补偿结构实现了20^×的光学变焦，工作在450 nm~900 nm光谱范围，工作温度范围为?40 ℃~60 ℃；采用了18片球面玻璃镜片，总长160 mm，最大口径66 mm，长焦F数优于5，系统结构紧凑，满足小型化要求。系统在可见光波段，中心视场的调制传递函数（modulation transfer function, MTF）>0.4@145 lp/mm，全视场MTF>0.2@145 lp/mm；在近红外波段，中心视场MTF>0.45@60 lp/mm，全视场MTF>0.2@60 lp/mm。从设计结果可以看出，该设计满足高性能指标要求，对于宽光谱、大变倍比、小型化的变焦光学系统设计具有一定的参考意义。

为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪，光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦，并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等，并在确定了相关技术参数的基础上，设计了一种变倍比为40^×的宽波段连续变焦光学系统。设计的连续变焦光学系统全部使用球面镜，易于加工，成像质量较好，各视场MTF值在150 lp/mm处均大于0.2，并且凸轮曲线平滑，无拐点，杂散光控制较好，对系统影响很小。最后通过外景试验测试，该系统光轴一致性小于0.1 mrad，系统的各项性能指标都可满足设备的使用要求，为光电跟踪系统的工程化提供了参考价值。

针对机械补偿式变焦光学系统难以同时实现大变倍比和轻小型设计的难题，提出了一种高倍率轻小型机械补偿式变焦光学系统的设计方法。为了降低高倍率变焦光学系统色差和球差的校正难度，对机械补偿式变焦光学系统的光焦度分配原理进行了理论分析。然后，提出采用平滑换根的“+，-，+，+”光焦度分配方式结合固定光阑口径变F数的方法，来实现大变倍比轻小型设计，并通过参数设定和光学设计软件联合解算的方法，快速有效地解算出较佳的初始结构参数。最后，使用全球面透镜设计了一款大变倍比轻小型的连续变焦光学系统，该系统的最大口径为67 mm，全长为190 mm。该变焦系统具有成像质量好、变焦曲线无拐点等优点。