长波红外变焦光学系统相对于中波红外变焦光学系统存在可用材料少、系统高低温环境无热化难度大等难题。本文采用机械补偿变焦技术实现光学多视场变焦，利用主动补偿的消热差技术使系统在−40 °C~+65 °C温度范围内能够清晰成像，实现四片透镜架构的制冷型长波红外四视场光学系统设计。该光学系统四视场焦距分别为25 mm、109 mm、275 mm、400 mm，变倍比为15，光学系统包络尺寸为268 mm（长）×200 mm（宽），光学零件总质量为618 g。该光学系统具有质量轻、性能高、成本低等SWaP-C特征，在辅助导航、搜索、跟踪等安防领域中具有较大应用潜力。

为了减小激光通信终端体积与能耗，同时保证通光孔径和放大倍率，该文根据折反式望远镜的高斯光学及赛德尔像差理论设计了一款改进的Dall-Kirkham接收望远镜。该镜头由2片反射镜、5片透镜组成，接收信号光波长为974 nm和1550 nm，通光口径为60 mm，相对孔径为1/3.38，出瞳距为50 mm，视场角为6 mrad，总长为111.04 mm，工作温度为20 ℃±10 ℃。优化后镜头在0.5 mrad视场内波像差优于（1/40）λ，6 mrad视场内波像差优于（1/20）λ，能量集中。为了实现无热化设计，文中给出了结构材料的选取与设计方式，并分析了±10 ℃温差下光学系统的波像差变化，分析结果表明：镜头成像质量良好，满足应用需求。

面向甚高精度微型星敏感器在商业卫星以及中低轨资源勘探卫星的实际应用需求，开展了甚高精度微型星敏感器光学系统设计与验证研究。基于甚高精度微型星敏感器姿态测量精度要求，完成了光学系统技术指标论证工作，具体包括：根据材料透过率与折射率，给出了适用于轻小化镜头的工作波段；根据恒星像点的弥散特性，给出了适用于高精度质心提取的高斯半径；根据黑体辐射定律与探测器参数，给出了适用于提取6.5等星时所需通光口径；根据恒星色温与星等之间的关系，并结合蒙特卡洛方法，给出了最佳工作视场大小。基于光学系统指标论证方法，确定了光学系统设计参数，并依次实现了光路设计以及像质分析，结果表明：在−40~60 ℃工作温度区间内，其星点质心偏移不超过0.05 μm，且弥散斑尺寸变化量不大于1 μm。基于设计甚高精度微型星敏感器光学系统，开展了标定测试、外场观星以及耐辐射测试，结果表明：系统标定精度为0.6″，外场测量精度为1.5″(3σ)，外场测量下可探测极限星等为6.51等星，累计60 krad(Si)辐射下可探测极限星等为6.01等星，进一步验证了所设计光学系统的精度以及可靠性，可为甚高精度微型星敏感器的工程应用提供理论基础与技术支持。

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。

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。