红外显微热成像系统能够分析微小物体或局部细节的温度变化, 在工业检测、医学诊断和科学实验研究等领域已获得广泛的应用。分析了红外变焦显微光学系统的设计方法, 并基于制冷型红外探测器设计了一款成像倍率为0.5×~2×的光学系统。该系统采用机械补偿变焦方式, 以二次成像构型实现与探测器冷光阑的光瞳匹配, 在8片镜片上设计了2个非球面, 矫正了高级像差, 实现了在全倍率范围内的平滑连续变焦。通过zemax宏程序对变焦过程的分析表明, 该光学系统在整个变焦过程中运动平滑, 成像稳定, 弥散斑变化均较小。

针对1 024×768元长波非制冷式焦平面探测器的应用需求,设计了一款4×连续变焦高分辨率光学系统,并利用ZEMAX宏语言编写的宏程序,对该系统的变焦过程进行了分析。该系统采用机械补偿变焦方式,在6片锗单晶镜片上设计了3个非球面和1个衍射面,矫正了高级像差,实现了在25～100 mm范围内的平滑连续变焦,视场角可达32°×24.3°～8.2°×6.15°；从宏程序输出的变焦凸轮曲线、弥散斑变化曲线和视场畸变变化曲线上看,该系统在整个变焦过程中运动平滑、成像稳定、弥散斑和视场畸变变化均较小。综合而言,该系统具有结构紧凑、相对孔径大( F#/1～1.4)、视场畸变小、成像质量高、变焦凸轮机构加工难度小,具有较高的应用价值。

为了实现大变倍比连续变焦距红外光学系统的光学被动无热化设计, 研究了连续变焦距系统的无热化设计基本理论及方法。提出了在大相对孔径大变倍比连续变焦距红外系统中采用光学被动式消热差的方法。推导出了连续变焦距系统光学被动消热差的计算方法。基于这种计算方法, 设计了一个焦距30～150mm, 长波红外工作波段在8～12μm, 相对孔径1∶1.1的大变倍比、大相对孔径连续变焦距系统, 并进行光学被动消热差设计, 使系统在-30℃～60℃温度范围内MTF大于0.3满足成像要求。系统设计合理, 成像质量满足要求, 通过系统设计充分验证设计理论的可行性和实用性。

为减小机械补偿式连续变焦热像仪在变焦过程中的光轴漂移, 根据连续变焦原理, 对系统初始参数进行反复优化, 保证补偿组移动曲线的平滑度, 并将变倍组与补偿组的凸轮曲线设计为非线性变化曲线, 既保证了焦距变化的均匀性, 又减小了因凸轮转动引起的光轴漂移。利用多项式及三角函数拟合出了不同视场角下的光轴漂移曲线, 并利用动态软件补偿技术来弥补光轴漂移的系统误差。结果表明, 处理后的光轴漂移量可以控制在一个CCD像元尺寸左右, 且具有较强的鲁棒性, 对同类变焦镜头的设计及使用具有一定的参考价值。

主要介绍了激光变焦扩束系统的设计方法。以高斯光束的准直原理为基础,采用一个倒置的望远系统建立系统物理模型和微分方程,分析得到系统中变倍补偿组件的运动轨迹。然后以二组元变焦系统为例,在理想光学系统的基本目标参数上加入具体的光学参数,并利用软件优化校正像差,设计得到了一种结构紧凑,光束准直性好且成本较为低廉的变焦扩束光学系统。

针对长波非制冷氧化钒320×240像元焦平面阵列探测器，像元间距25 μm×25 μm，采用变焦距光学系统设计原理，引入非球面和衍射面设计技术进行像差平衡，设计了长波红外连续变焦光学系统。该系统工作波段为8 μm～12 μm，视场为2.86°～50°连续可变，F数为1.2，变倍比为18∶1，在整个变焦范围内，光学调制传递函数在0.5以上，接近衍射极限，并且全视场能量70％集中在探测器的一个像元内。整个变焦光学系统仅使用一种红外材料(单晶锗)进行像差矫正。

主要介绍了一种基于赛德尔像差理论的机械补偿型三反变焦系统的设计方法。这种方法的优点在于，通过对初级像差方程组进行约束优化，可以得到满足要求的部分初始结构参数，设计实例的结果表明了这种方法的可行性。同时指出了上述方法的局限性以及进行无遮拦反射变焦系统设计的必要性，并做了新的设计理论探讨，给出了去除系统遮拦同时矫正像差的方法。

机械补偿式变焦距镜头以其自身的优点受到了广泛的关注和应用。介绍机械补偿式三组元连续变焦系统的基本工作原理及组成, 根据实际使用要求, 设计出保证变倍过程中变倍组和补偿组按一定函数规律运动的圆柱凸轮结构、导向机构及相应的加工工艺, 从变倍运动方程和设计的变焦结构形式出发, 分析变焦过程中焦距实时输出的实现方法和存在的问题, 并提出相应的解决措施, 对焦距值实时输出精度的提高以及变焦距镜头的设计和装调具有借鉴作用。

介绍了一种相对简单的、基于赛德尔像差理论的四反射镜机械补偿红外变焦距系统的光学设计方法.该方法的实现包括对单个反射镜成像规律的研究、变焦系统机械补偿的概念以及反射变焦系统赛德尔像差系数解析表达式的推导.该方法的优点在于，通过求解赛德尔像差方程组可以得到系统的初始结构参数，如各个镜子的曲率半径和间隔等.两个设计实例的结果表明，这种设计方法在设计大变倍比红外反射变焦系统时是可行的.

针对高分辨力CCD 探测器(1 k×1 k，6.3 μm×6.3 μm)，确定了一个可见光波段连续变焦光学系统，传递函数(MTF)接近衍射极限。本文通过公差分析可知前固定组和变倍组的公差灵敏度非常高，对加工和装调提出了苛刻的要求。该方法根据设置前固定组轴向移动补偿和焦面轴向补偿来降低前固定组的公差灵敏度和提高系统成像质量，并分析了前固定组轴向补偿机械结构的可行性。通过分析公差灵敏度产生的原因，提出对敏感表面上的入射角进行合理优化设计以有效降低公差灵敏度。实验结果表明，在不增加成本的前提下降低加工和装调难度，提高系统整体性能。