红外变焦监视镜头的 F数与焦深相对较小，因此温度变化极易导致离焦现象，导致成像质量下降。本文针对火情监察红外变焦镜头在－40℃50℃范围内成像清晰的技术要求，采用有限元法分析温度变化下各光学镜片前后镜面的刚体位移与旋转量，将刚体位移导入至 Sigit光机集成分析软件中仿真出温度变化工况下镜头的离焦量，分析结果表明焦距值变量在－0.16＋0.4 mm之间，调焦量为 0.1080.188。针对上述情况，采用两个凸轮两套执行机构来分别控制变倍组和补偿组的移动，实现镜头的主动消热差保证温度变化下成像仍旧清晰。最终通过温度可靠性实验对镜头光学分辨率温度适应性的进行考核，实验结果表明在温度变化过程中空间分辨率均大于 30 lp/mm，变焦过程成像质量基本清晰。

连续变焦镜头凸轮曲线压力升角优化设计是镜头性能的重要影响因素。结合镜头中凸轮驱动结构形式及力学理论，分析了凸轮曲线的压力升角对系统传动力矩的影响; 结合机械加工误差以及压力升角模型，提出凸轮曲线优化约束条件及优化原则; 同时借助Gauss函数的平滑特性，实现凸轮曲线沿垂直于光轴方向非均匀展宽的优化方法，抑制凸轮曲线的最大升角。结合Gauss函数寻优处理对某光学设计获得的变焦凸轮曲线进行优化，在约束条件限制下保证曲线平滑性，凸轮曲线压力升角的范围由0°~39.01°优化到15°~31.16°，最大升角降低了20.12%。结果表明,该方法能够有效地应用于凸轮变焦系统设计以提高系统的性能。

对空基光电对抗平台可见光变焦镜头进行了光机结构设计以及被动消热差设计,依据-20~50 ℃的工作温度指标要求,对变焦镜头进行光机热集成分析。用Patran软件对镜头加载温度应力,计算光机结构的热弹性变形,用Nastran软件解算热变形后各光学元件镜面节点的刚体位移。用Sigfit光机接口软件分析变形后每个透镜表面的Zernike系数,将结果导入Zemax中,预判镜片面型变化以及刚体位移变化对调制传递函数(MTF)与波前差的影响。实验结果表明,在-20~50 ℃的温度载荷下,后固定组的最大轴向位移可达6.107×10 -3 mm,严重影响了成像质量。通过挠性压圈实现轴向位移可控消热差设计,以减小温度载荷带来的影响。光机热集成分析表明,温度载荷下光学系统的MTF均大于0.3,满足技术指标要求。最后通过温度可靠性实验测试了变焦镜头的温度适应能力以及光机热集成分析的准确性,提供了一套高效、准确、适用范围广的光机热集成分析流程。

由于滑动导向机构与镜筒之间为间隙配合，在运动过程中会导致镜片发生不同程度偏移与偏转，因此基于柔体运动学分析理论，对不同运动姿态、不同长径比的滑动导向机构以及导向钉与镜片在导向机构中的排布位置进行运动仿真分析，得出运动姿态、长径比以及导向钉与镜片排布位置对镜片偏移与偏转的影响；结合实际变焦光学系统使用要求，设计嵌套式导向机构并进行仿真分析，验证可行性；根据以上分析结果对红外连续变焦镜头进行设计加工，镜头变焦过程成像清晰，表明此种仿真分析为红外变焦镜头结构设计研究提供一种有效方法。

针对现有用于光学测量的双目变焦系统标定方法难度大、测量精度受限于两摄像机内参一致性等问题。提出一种基于单摄像机的平行双目立体视觉系统实现及其高精度变焦标定方法。方法基于三角测量原理采集图像, 利用高精度位移台驱动单摄像机进行平移以保证基线精度; 求解离散焦距下的预标定结果并利用BP神经网络模型对其进行拟合, 以实现任意焦距下系统内外参数动态估计。实验结果表明, 系统预标定的重投影误差小于0.1664 pixel, 变焦后图像畸变校正平均误差为0.0982 pixel,立体视觉测量尺寸绝对误差小于0.05mm。方法能弥补传统变焦标定方法的不足, 消除双目内参不一致引入的误差, 提高视觉系统的测量精度。

针对传统无人机载相机在复杂环境下物证搜寻成像对比度低、证物识别难度大等问题, 提出利用偏振成像技术, 进行物证搜寻识别。为保证搜寻效率、识别概率和低照条件下成像效果, 设计了大视场大相对孔径两档变焦偏振成像光学系统。系统焦距分别为11 mm和22 mm, F数分别为1.8和2.7, 视场角60°和34°, 并给出了合理的调焦方式,可实现在3 m和10 m飞行高度下清晰成像。经过仿真分析, 调制传递函数在奈奎斯特频率91 lp/mm处优于0.45, 满足成像质量要求, 公差分析显示, 在满足成像质量条件下, 公差范围合理。将系统与微偏振片阵列探测器集成, 搭载无人机平台, 可在复杂环境中对案发现场进行实时高效物证搜寻, 大幅提升案事件破获能力。

提出了广义拉格朗日乘子(GLM)算法、内点法和修正序列二次规划算法三种优化算法。采用像差分布合理的正-负-正-负-正镜头结构,设定合理的普适性参数,利用所提的三种方法计算获得了变焦范围为30~100 mm、恒定F数为2.8、视场角为24.421°~71.608°的全画幅变焦镜头的高斯结构,并分析对比了三种优化算法。利用实际镜组替换由GLM算法获取的高斯结构,采用全球面设计,获得了满足成像要求的全画幅变焦镜头的优化设计,三条变焦和补偿曲线均具有良好的线性度,系统调制传递函数在50 lp/mm处的平均值均大于0.1,该全球面设计为后期基于非球面优化设计提供了良好的初始结构。

变焦镜头设计过程中，为了实现变焦镜头更好的变焦效果，需要设计出优良的变焦凸轮，而变焦凸轮曲线的设计是设计出好的变焦凸轮的关键，变焦凸轮曲线设计的好坏直接影响最终成像质量。首先通过对投影灯镜头系统划分为五组元变焦结构，在CODE V 中将所得镜头材料转成SCHOOT 材料，并在CODE V 中把变焦过程设置成9 重结构的方式，然后运行五组元变焦宏程序后，得到五组元变焦镜头的变焦数据，最后利用AUTOCAD 软件的多线PL 命令最终作出变焦镜头凸轮曲线图。所得凸轮曲线既要保证凸轮有较小的压力角，还要有一定的锁紧力。

为了避免环境温度变化影响红外双波段目标模拟器的投影图像质量,对其变焦投影镜头进行了光机热分析。建立了变焦投影镜头的有限元分析模型,通过对非定常的热应力问题进行准静态处理,完成了有限元模型的热分析和静力学分析,并求解出整机随温度变化的位移云图。通过有限元数据转换算法将离散节点的坐标数据转化为矢高变形数据,利用Householder算法完成了基于Zernike多项式的镜面热变形拟合,并将拟合系数导入光学设计软件,得到了不同温度下变焦投影镜头的热分析结果。结果表明,当温度在10~30 ℃区间时,投影图像质量对整机的热变形不敏感。