为实现对望远镜系统中光学元件表面缺陷在线检测, 介绍了一种用于光学元件表面缺陷检测的变焦距成像光学系统, 采用机械变焦形式实现变焦功能。根据望远镜系统技术要求计算出变焦距系统的关键参数, 通过Zemax软件设计并优化得到最终结果, 整个变焦系统的设计实现了90 mm~540 mm的6倍变焦, 在变焦过程中F数和像面位置保持不变, 变焦系统总长为553.1 mm。从调制传递函数(MTF)、点列图2个方面分析了系统的成像质量, 系统在各焦距处的MTF值在100 lp/mm处均大于0.3, 物方分辨率优于0.055 mm, 在不同焦距处弥散斑半径均方根值均控制在艾里斑半径范围内。最后对系统环境适应性进行了分析, 讨论了工作温度范围为-10℃~40℃时对系统成像质量的影响, 并给出了温度补偿方案。实验结果表明, 补偿后的系统成像质量良好, 满足实际需求。

设计了基于AOTF 器件的中波红外光谱相机前置变焦系统,针对AOTF 器件和探测器的特性,系统采用折/衍射混合设计,用6 片透镜即实现了25~300 mm 连续12×变焦,并用ZEMAX 软件对则汇集结果进行优化和像质评价。结果表明,该光学系统各个波段上在空间频率14 lp/mm 处调制传递函数(MTF)值接近衍射极限,能量集中度大于90%。可用于大多情况下中红外光谱成像分析以及中红外的目标探测及识别。

为了实现对远距离目标的实时跟踪与测量, 设计了口径为650 mm, 焦距为5 000~2 000 mm的连续变焦距光学系统。提出了牛顿式折反射光学系统与倒置的连续变焦距光学系统组合的设计方法, 实现了光瞳的合理匹配与对接。确定了合适的入瞳位置, 消除了变焦过程中像面容易产生的鬼像。通过合理匹配主系统和变焦距系统的光焦度, 使得二级光谱最小化。运用CODEⅤ软件对各焦距位置的像差进行优化与平衡, 使变焦距光学系统在各焦距位置的像差均得到校正与平衡, 像面保持严格的一致性, 从而各焦距位置成像质量良好。实验显示该系统全视场平均传递函数均在0.524以上(Nyquist频率: 35 lp/mm), 满足使用要求。

基于声光可调谐(AOTF)光谱相机的技术指标和性能要求, 采用机械正组补偿方式, 实现了10×可见光波段连续变焦光学系统的设计。详细介绍各组元的光焦度分配和初始结构的计算过程, 并用Zemax光学软件进行设计, 对设计结果进行了像质评价和像差分析, 并对凸轮曲线进行求解。设计和分析结果表明: 该系统在0.38 μm~0.7 μm波段实现了30 mm~300 mm连续变焦, 在空间频率50 lp/mm处调制传递函数(MTF)值最大达到0.7。该系统可工作在可见光波段, 具有变倍比大、变焦曲线平滑的特点, 能够满足光谱相机的成像要求。

为获得红外目标的空间信息和光谱信息，设计了一种用于中波红外声光可调谐光谱相机的光学系统.设计中引入折/衍射混合透镜，在用6片透镜的情况下达到了12×变倍，在长焦处时能识别2 000 m远的目标.采用ZEMAX光学设计软件模拟声光晶体的衍射，在晶体出射面上优化设计了4°的楔角，使-1级衍射光能共轴出射.该光学系统在空间频率17 lp/mm处调制传递函数值最大达到0.7，能量集中度大于90%，能够满足光谱相机用于识别/跟踪目标的要求.

设计了一种采用全球面透镜并具有变焦距功能的光刻系统。系统具有4个机械变焦的位置，两片负透镜作为变倍组，两片正透镜作为移动补偿组，补偿在变焦过程中由于系统共轭距离变化造成的像面移动。该系统光学总长为653.67 mm，系统采用的22片透镜元件，全部采用球面设计，同时系统中没有使用特种光学玻璃。该系统工作在光刻常用波长405 nm下，其500 lp/mm调制函数值在4个变焦位置和所有视场内均大于0.40，绝对畸变小于六分之一特征尺寸。设计结果表明该系统成像效果良好，制作成本低，适用于工作在刻蚀微米量级分辨率、变焦距双远心光刻系统中。

变焦距光学系统通过调整光学系统参数，改变光学系统的焦距来保证光学系统动态成像的需求。本文从变焦距光学系统的基本原理出发，简单描述了光学补偿与机械补偿变焦光学系统的设计，阐述了常见变焦距光学系统的类型与结构。指出了传统变焦距光学系统存在的问题，结合DSP和步进电机在变焦距光学系统中的最新应用，概述了靶场光测设备的变焦距光学系统的最新动态，分析了电机直传技术在靶场光测设备应用的可行性，意在为新一代数字变焦光学系统提供理论参考。

针对长焦距、折反射式连续变焦望远系统的设计，提出了一种新的光学结构形式。该结构形式将可变光阑放置于球面主反射镜附近，避免了在变焦部分中使用浮动的可变光阑；然后利用二次成像结构和场镜减小变焦组元的径向尺寸，系统变焦部分仅包含变倍组与补偿组，无需前固定组与后固定组，同时无需使用特种光学材料校正二级光谱，极大降低了系统变焦部分的复杂程度。利用该光学结构形式对一台焦距600~3000 mm、最大口径300 mm、工作在可见光波段的变焦望远系统进行优化设计，该系统在60 lp/mm的调制传递函数（MTF）设计值在所有焦距和视场内均大于0.3。设计结果表明该系统像质良好、制造成本低，适用于工作在可见光波段的长焦距、变焦成像光学系统。

根据所研制超光谱成像仪的性能指标和应用要求，设计可用作超光谱成像仪前置系统的连续变焦光学系统，具有相对孔径大、工作于可见光波段、中等焦长、光能利用率高和像方远心等特点。详细介绍变焦距光学系统的结构选型及其初始结构计算方法。设计的变焦距光学系统采用机械补偿法，变倍比为4×，相对孔径为1∶2，在宽视场（8°）和窄视场（2°）端的焦距分别为55 mm和220 mm。系统畸变小于0.6%，在66 lp/mm空间特征频率处的调制传递函数值大于0.5，能够满足超光谱成像仪的使用要求。

变焦距光学系统凸轮曲线设计是保证光学系统变焦精确、平滑和驱动力均衡的关键。以2运动组元变焦系统的牛顿法变焦推导公式为依据，分析等间隔设计和等角距设计凸轮曲线方法的特点，结合EBA20X10光学镜头设计实例，探讨了结合2者优点实现复合式凸轮曲线优化设计的方法。文中等间距是指变倍透镜组沿光轴的移动量与凸轮转角呈线性关系，凸轮曲线沿圆周展开为直线；等角距是指系统焦距与凸轮转角呈线性关系。最后介绍了可实现3种凸轮曲线辅助设计的软件工具OZSAD V1．2。设计结果表明，该设计方法可以降低凸轮曲线压力角，减少总展开角及加工点对数，还可保证凸轮的设计精度。