为了实现大变倍比连续变焦距红外光学系统的光学被动无热化设计, 研究了连续变焦距系统的无热化设计基本理论及方法。提出了在大相对孔径大变倍比连续变焦距红外系统中采用光学被动式消热差的方法。推导出了连续变焦距系统光学被动消热差的计算方法。基于这种计算方法, 设计了一个焦距30～150mm, 长波红外工作波段在8～12μm, 相对孔径1∶1.1的大变倍比、大相对孔径连续变焦距系统, 并进行光学被动消热差设计, 使系统在-30℃～60℃温度范围内MTF大于0.3满足成像要求。系统设计合理, 成像质量满足要求, 通过系统设计充分验证设计理论的可行性和实用性。

针对三组式伸缩型结构高倍率变焦距镜头设计进行了研究。对含中间固定组的三组式结构高斯光学进行了讨论, 给出了高倍率设计的高斯解范围和选取原则, 并编制了可视化辅助设计软件, 为高斯参数的最优化选取提供条件。采用这种结构设计了一套焦距12~600 mm、变倍比50倍、视场角0.85°~41.2°的伸缩型变焦距镜头, 短焦时前片至像面175 mm、长焦时为309 mm, 长焦端远摄比达0.51; 各焦距位置在100 lp/mm处轴上视场调制传递函数(MTF)大于0.3, 边缘视场MTF大于0.2, 同时系统具有小型、便携的特点。

针对某大口径光电探测设备技术指标设计了一种口径为 1m级，焦距变化范围为 2000～6000 mm的大口径、长焦距可见光连续变焦系统。比较了以往的连续变焦结构优缺点，选取了合适的凸轮机构并进行了详细地结构设计。利用有限元软件对连续变焦距系统中的关键结构件凸轮进行了静力学和动力学分析。计算了该种凸轮结构下的连续变焦距系统的精度为 3.3 .m，满足系统的测量要求。

采用一种新的结构形式对口径1.2 m、焦距2~6 m、相对孔径1/1.67~1/5的可见/近红外波段连续变焦距望远镜进行了设计。为适应目前地基大口径望远镜总体结构形式的需要，前端主系统采用Cassegrain反射式结构，后端采用三组元机械补偿变倍形式，使结构更加简洁。在高斯光学计算、像差分析基础上对各组元初始结构选择，并进行整体优化。设计结果各项性能指标均满足要求，且结构紧凑、补偿曲线平滑，表明这种结构形式是大口径连续变焦距望远镜一种较好的光学解决方案。

针对双组联动变焦距系统结构复杂的特点，对其设计过程进行了梳理。在此基础上编制了可视化辅助设计软件，该软件具有高斯解计算、变倍补偿曲线绘制、像差与外形尺寸分析、相对孔径图输出等功能。使用该软件可以方便地完成双组联动变焦系统高斯解的合理选择，并给出各组元承担相对孔径及其变化情况，辅助进行初始结构的确定。利用该辅助设计软件，对一套焦距25~500 mm 的20倍可见光波段双组联动连续变焦距系统进行了初始结构设计，并通过整体优化使系统像差得到校正。设计结果系统光学总长478 mm，各焦距位置在50 lp/mm 处轴上视场调制传递函数(MTF)大于0.6，边缘视场MTF大于0.4，各项指标满足系统要求。

为了实现对远距离目标的实时跟踪与测量, 设计了口径为650 mm, 焦距为5 000~2 000 mm的连续变焦距光学系统。提出了牛顿式折反射光学系统与倒置的连续变焦距光学系统组合的设计方法, 实现了光瞳的合理匹配与对接。确定了合适的入瞳位置, 消除了变焦过程中像面容易产生的鬼像。通过合理匹配主系统和变焦距系统的光焦度, 使得二级光谱最小化。运用CODEⅤ软件对各焦距位置的像差进行优化与平衡, 使变焦距光学系统在各焦距位置的像差均得到校正与平衡, 像面保持严格的一致性, 从而各焦距位置成像质量良好。实验显示该系统全视场平均传递函数均在0.524以上(Nyquist频率: 35 lp/mm), 满足使用要求。