为了满足长波红外（LWIR）热像仪在宽温度范围下连续变焦的需求，基于LWIR 320 pixel×320 pixel型红外探测器，设计了一款非制冷长波红外连续变焦光学系统。该系统可在宽温度范围下实现无热化，采用常见的硫系玻璃，工作波段为8~12 μm，总长为200 mm，仅由7片透镜组成。通过引入偶次非球面，可以使系统色差和轴外像差得到良好的校正，同时选用后固定组的最后一片透镜充当温度补偿组来调节焦距实现无热化。分析结果表明，该系统结构紧凑，可以在-40~60 ℃温度范围内和60~180 mm焦距范围内连续平滑变焦，并且全程成像质量良好（调制传递函数在20 lp/mm处均大于0.3），变焦和公差也具有良好的可实现性。

针对新一代光电吊舱对轻小型长焦距高清红外变焦成像系统的迫切需求，采用分辨率为1280×1024、像元尺寸为15 μm大面阵中波制冷红外探测器，设计了一款变倍比为48、焦距范围为25~1200 mm的中波红外连续变焦光学系统。为了实现小型化设计，采用二次成像、正组机械补偿、平滑换根、结合后组温阑切换变F数，以及光路巧妙折转的设计思路及方法，在保证100%冷阑效率的同时，实现了红外变焦系统的大变倍比与小型化设计。结果表明，该光学系统在-40 ℃~+60 ℃温度范围内具有良好的成像质量，且光学最大口径为230 mm，光学总长仅为350 mm，该系统具有结构紧凑、变倍比大、焦距长、分辨率高、成像质量良好等优点，可满足新一代红外成像系统的要求。

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。

针对像元尺寸为17 m×17 m的 非致冷型640×480元探测器，基于补偿组兼顾调焦群作用的Varifocal 结构，仅用4片透镜就设计出了一种变倍比为6×的长波红外连续变焦光学 系统。针对低成本、高透波率的指标要求，通过理论计算得到了初始结 构，并用CodeV软件对其像差进行了优化，最后针对设计结果进行了 凸轮曲线求解和像质评价。结果表明，当 工作在8 ～ 12 m波段时，在相对孔径1.4 : 1保持不变的条件下，该系统实 现了焦距从20 mm到120 mm的连续变焦，而且空间频率20 lp/mm处的调 制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)值均大于0.5。通过样机实测发现，该系统 具有变倍比大、结构紧凑和分辨率高等特点，因而适用于红外监控设 备。

基于数字微镜器件(DMD)的红外景象模拟器在室内环境下通过模拟真实景物及其环境的红外辐射来测试红外成像系统的性能。为实现基于DMD的红外景象模拟器能够满足不同待测系统的视场角匹配, 同时为避免投影系统与照明系统发生空间上的重叠, 设计了一套配有分光棱镜的红外变焦投影系统。该系统工作波段为8～12 μm, F数为2.7, 采用光学补偿变焦方式,可实现50/100/150/200 mm四档变焦。根据四组元系统负组补偿原理及其高斯光学公式对系统光学参数进行计算, 选用与参数相近的初始结构进行处理及优化。设计结果表明, 各焦距位置在20 lp/mm处的调制传递函数值均接近衍射极限, 符合使用要求。

变焦系统可在大范围内快速寻找、搜索目标, 同时能在小范围内对目标物体进行更加细致的观察。因此红外变焦光学系统在**、工业等领域的应用与需求不断增长。对连续变焦镜头的设计理论、设计方法进行介绍, 利用Zemax软件设计了一款连续变焦的红外镜头, 变焦范围为30 mm~110 mm, 工作波段在8 μm ~12 μm, F#为1.0, 配合一款320像素×240像素的非制冷探测器使用, 探测器像元尺寸为25 μm×25 μm, 光学系统的总长小于230 mm, 整个系统由7片透镜组成, 并且只使用了锗一种材料, 所有表面均为球面。实验结果表明: 在短焦30 mm时, 系统MTF值在20 lp/mm处均大于0.3; 长焦110 mm时, 系统MTF值在20 lp/mm处大于0.317 4。最后对红外变焦系统进行了容差分析, 得出一组较为宽松的公差。

根据外场测试要求, 设计一套精确变焦的大口径投影光学系统, 为系统性能测试评估提供远场至近场的目标成像模拟, 系统由精确变焦系统和大口径投影系统两部分组成。根据被测系统口径及所成像点大小要求, 在保证光瞳衔接和口径匹配的前提下, 对大口径投影光学系统和精确变焦系统进行了光学参数计算和像质优化。变焦系统工作波段为8 μm ~12 μm, 变倍比为16x, 大口径投影光学系统口径为300 mm, 模拟实验结果表明, 该系统在变焦过程中像面稳定, 各焦距位置MTF曲线接近衍射极限, 满足外场测试实验要求。

设计了一种红外三档变焦光学系统。系统工作波段为中波3.7~4.8 μm, 焦距为40/60/240 mm, 6×变倍比, 具有100%冷光阑效率, 加入2倍镜后, 焦距为80/120/480 mm。对系统进行了光学设计、传递函数分析、机械设计等分析, 带增倍镜的红外三档变焦光学系统具有像质好、变焦速度快、结构紧凑的特点, 可在红外成像系统中得到广泛应用。