针对同时兼顾大范围搜索和精确识别目标的迫切需求，研制了一种大变倍比红外变焦成像系统，设计两片独立运动的变倍镜及一片补偿镜，通过两个变倍镜级联的方式获得大变倍比。结合系统运动镜片多及变焦曲线复杂的特点，采用直线运动机构实现镜片变焦运动，使用集成编码器及螺纹丝杆的直线电机作为驱动。通过有限元仿真开展了系统力学分析，所设计镜片最大位移为3.04×10^-3 mm。成像系统适用于中波红外制冷式640×512焦平面阵列探测器，变倍比达到55倍。实验室成像及外场实景成像的结果表明，系统在焦距由6 mm至330 mm连续变化的过程中成像清晰、像质良好，验证了系统的连续变焦成像性能，该设计合理可靠。研究成果在搜索、跟踪、侦察、监视等方面有广阔的应用前景。

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。

针对现有水下光学系统中存在的主要不足，就某大视场水下连续变焦光系统指标要求，从水下光窗选型、光窗畸变、色差等的影响入手，分析了水下平板光窗引入的相对畸变和倍率色差特性，给出了相应的应对措施。结合水下工况对包络和工作距的要求，给出了一种三组联动的变焦系统设计模型和相应调跟焦组件的设计方法；通过在PNNP型结构中引入像差稳定镜组，对动态像差做稳定和补偿，改善了光学结构的像差校正能力，同时规避了凸轮曲线断点问题；通过在物方侧镜组中设置调跟焦镜组，保证了变焦全程对近景目标的清晰成像。完成了一个4 K水下大视场连续变焦光学系统设计，该系统工作距为0.5 m~inf，设计波段为0.48~0.64 μm，采用3840×2160高灵敏CMOS面阵探测器，像元大小为2 μm，变焦全程F数最大恒定为2.8，可实现全视场5.9°~62°、10倍以上连续变焦功能，具有较短的变焦行程、平滑的变焦轨迹、优良的成像性能等优点。

为了满足机场跑道外来物光电探测系统对高像质、大变倍比、长焦距、小型化变焦镜头的需要，利用Zemax软件设计了一款50 mm～1 000 mm机械变焦镜头。该镜头采用机械补偿变焦结构，采用超低色散镜片来矫正变焦过程中引起的大色差问题，通过评价函数操作数对镜头的结构尺寸以及像质进行优化。通过优化设计，整个系统由28片球面透镜组成，系统总长小于400 mm，MTF在100 lp/mm条件下逼近衍射极限（MTF>0.2），RMS弥散斑半径在中心视场条件下小于5 μm，场曲小于0.1 mm，畸变小于1%，绘制了变倍组与补偿组的运动变化曲线，曲线平滑没有断点。分析结果表明：该系统满足机场跑道外来物探测的实际应用需求，对于大变倍比变焦光学系统设计具有一定的参考意义。