如何准确检测镜头的焦距是红外镜头参数检测的一项重要研究内容。本文提出了一种基于刀口靶图像的焦距快速检测方法。该方法先采集红外镜头聚焦状态下的刀口靶图像，再进行刀口靶图像的二值化处理；通过提取目标的边缘轮廓，获得最小外接矩形的顶点坐标信息，从而估算出红外镜头对应焦距。实验结果证实：该检测方法可快速、准确地测量出镜头的焦距，且测量的平均绝对误差百分比小于 1.48。该方法为红外镜头重要参数的快速检测奠定基础。

针对大变倍比红外连续变焦镜头齐焦性问题, 通过采用特定的数据结构, 以在线标定方式, 拟合出变倍镜头的双向补偿曲线。并通过改变环境温度、双线插值法, 将拟合曲线扩展成二维网表并存入 FLASH中。依据标定网表, 齐焦性补偿基于预处理算法、双环控制算法及脉动控制算法能快速、准确实现补偿电机驱动控制, 解决大变倍比连续变焦红外镜头齐焦性问题。同时通过增加灰度梯度校验, 还能有效弥补目标距离小于最小成像距离时的补偿不足问题。

随着制造技术的发展, 机械补偿式变焦镜头的使用也越来越广泛。光学系统变焦的精确性、平滑性和驱动力均衡性主要取决于变焦凸轮, 而变焦凸轮的压力角与凸轮外径、凸轮转角范围以及变倍组的运动规律有关。本文以某款红外连续变焦镜头为例, 不改变凸轮外径和凸轮转角范围, 对变倍组的运动规律进行优化设计, 并通过 ADAMS对优化后的模型进行运动学仿真。仿真结果表明: 该优化方法可以降低变焦凸轮在短焦段和长焦段的压力角, 消除变倍组等速运动时的刚性冲击。

基于光机热集成设计分析,设计了一种扩展中波红外定焦镜头光机系统(焦距f=60 mm,工作波段2.5~5.3 μm),在设计光学系统和光机结构时就充分的考虑了环境温度、系统热变形对光学性能的影响,建立了镜头组的有限元模型,并基于-40~+60 ℃的实际温度载荷展开了热力学分析,对热分析后各镜片的节点位移和面型变化通过Zernike多项式作为数据接口导入光学设计软件,给出了各典型温度值下镜头组的传递函数图。分析结果表明,在-40~+60 ℃区间红外镜头的各个视场成像质量良好,所设计的红外镜头结构可靠、简洁,能够满足设计和使用要求。

论述了无热化设计的种类和光学被动式无热化设计的基本原理。使用光学被动式无热化设计方案, 设计了一款工作波段为 8～12 μm、焦距 f′＝16.5 mm、F#＝0.8、视场为 36.5°×27.8°的大孔径、大视场辅助驾驶无热化红外镜头。此镜头体积小、重量轻、结构简单, 适用于辅助驾驶系统。此红外镜头在－40℃～60℃的工作温度范围内, 无需调焦, 能自动消除热差影响, 始终保证成像清晰。经过寒区(低温)试验, 满足无热化设计的需要。

依据红外镜头光学系统的设计结果和公差分配，确定了透镜的装框方式和 透镜组件的装配方式，并对镜框和镜筒结构进行了特殊设计。利用OptiCentric双光路定心仪对 单透镜组件进行了定心。在用销钉对单透镜组件进行定位后，用销钉对各个透镜组件进行了复 位。在完成整个镜头定心装调后，在红外传函仪上对镜头进行了像质检测。测试结果表明红 外镜头的焦距和各个视场的传递函数均满足要求，说明这种双光路定心装调方法是合理可行的。

针对现代最先进的像元尺寸为15 μm、像元数640×480的中红外焦平面大面阵探测器, 设计了一种全球面轻小型高分辨率温度自适应夜视成像系统, 系统工作波段为3~5 μm, 全视场角为8.58°, 相对孔径为1/2, 焦距为80 mm, 四片式结构, 使用锗、硒化锌和硅三种材料, 系统采用全球面结构, 避免了以往该种系统中使用衍射面或非球面, 大大降低了加工检测难度且成本低。设计结果表明, 该高分辨率温度自适应夜视成像系统具有结构简单、体积小、分辨率高、成像质量高等特点, 满足设计要求, 可用于机载光电探测和跟踪系统。

设计了一个F数为2，工作波段为3.7~4.8 μm，全视场2ω=111.2°的高分辨率制冷型中波广角红外成像光学系统。该系统采用二次成像构型，通过Si、Ge、ZnSe三种材料六片式对称布局，利用折/衍混合器件及非球面,实现了光学被动消热差设计，使系统在-55 ℃至+80 ℃的宽温范围内，在空间频率为33 lp/mm处的光学传递函数（MTF）均大于0.4，系统在15 μm的像素尺寸内，能量集中度大于70%；采用f-θ设计，使成像系统对不同视场具有相同的角分辨率；通过引入光阑像差和控制像方视场角，使像面具有较好的均匀性，边缘视场最低相对照度为中心视场的90.9%，且具有近100%的冷光阑效率，同时，系统具有较好的冷反射抑制效果，该光学系统适用于像素为15 μm，分辨率为640 pixel×512 pixel的中波制冷探测器。

为了使红外镜头能够在宽的温度范围内工作, 在红外光学系统的设计时就要充分考虑热对光学性能的影响, 并要进行光机热集成分析。论述了光机热集成分析方法及流程, 并设计了一个焦距f=200 mm的冷光栏匹配的宽工作温度的红外镜头。建立了红外镜头的有限元模型并进行了热力学分析, 对分析的镜面变形结果数据进行了处理, 得到各镜片间隔和面形变化, 代入光学软件得到了热环境对光学成像质量的影响。分析结果表明, 对于-40℃~+60℃红外镜头的各个视场, 16线对的调制传递函数都大于0.5, 具有良好像质。所设计的红外镜头结构简单可行, 能够满足设计要求。