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。

设计了一套焦距f′=10 mm~500 mm的高变倍比变焦光学系统。以正组机械补偿原理为基础, 通过高斯光学计算, 给出合理的初始结构和高斯解。系统引入2个新型非球面, 使系统具有更大的自由度, 并有效校正光学系统中的像差, 减小系统复杂度, 对实现高变倍比变焦系统尤为有利。采用一组双层谐衍射元件来校正长焦所带来的二级光谱, 减少了透镜片数, 使系统更加紧凑。分析了10 mm~500 mm焦距情况下系统的调制传递函数曲线, 计算出变倍组和补偿组的变化曲线, 可以看出满足机械补偿凸轮曲线的变化规律, 而且曲线的变化比较平滑, 能够实现平稳变焦。在奈奎斯特频率为50 lp/mm时, 调制传递函数曲线均在0.6以上。

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。

针对航空变焦距镜头的非线性畸变随焦距变化而变化的问题，提出一种地面离线标定和机上在线校正相结合的快速校正方法。利用单参数除式模型校正镜头畸变，根据模板图像中共线点的投影不变性，采用变步长优化搜索方法求解出若干离散焦距下镜头的畸变系数和畸变中心坐标，分析了畸变参数随焦距变化的规律，建立了畸变参数与焦距之间的经验公式。在飞行实验中，将实际工作焦距值代入经验公式得到相应畸变参数对实景图像进行自动校正。对模板图像与实景图像的校正结果表明，该方法能有效校正变焦距镜头的非线性畸变，对3幅不同焦距下的720 pixel×576 pixel模板图像校正平均均方差约为2.68 pixel，平均校正时间约为4.82 s。该方法具有效率高，便于自动化实现和工程应用的优点。

设计了一种应用于特定机载平台上的变焦距镜头。为了减小轴向尺寸，后镜组进行了2次折反，光学系统的轴向尺寸96 mm，满足了空间的要求。镜头变倍比为20倍，焦距6～120 mm,相对孔径1/5.6。采用了机械补偿方法和滑架导向机构。该镜头轴向尺寸小、精度高、变焦过程光轴晃动小。通过试验,检测出变焦过程光轴晃动不大于34″。通过飞行试验实现了短焦距搜索目标、长焦距跟踪目标的功能，并且变焦快速，像面稳定，视频跟踪图像清晰。

为减小温度对航空变焦距镜头成像质量的影响，设计了一种基于差动原理的被动消热结构。通过NX Nastran有限元分析软件对变焦镜头在高温和低温两种工况下进行了热分析，利用消热原理及分析数据对变焦镜头4个组件进行了消热设计。对消热设计前、后的变焦镜头进行了消热结构耦合分析，分析结果表明变焦镜头经过消热设计后最大热变形量减小了0.03 mm。利用泽尼克系数作为数据接口，将获得的热结构分析结果作为光学分析软件Code V输入，仿真出了消热设计前、后变焦镜头在+55 ℃时的光学传递函数曲线。和镜头设计传递函数值相比，消热设计前镜头在78 lp/mm处传递函数值减小约0.2，传递函数值下降了50%，而消热设计后镜头传递函数值基本保持不变。仿真结果证实了消热设计的有效性。最后通过实验验证了仿真结果的正确性。

为设计一套焦距17~1 700 mm的长焦距、超高倍率变焦距光学系统，首先在合理选择初始结构基础上，通过比较高斯光学计算结果找出高斯解对系统性能的影响规律，从而确定系统的关键参量；然后通过分析各组元相对孔径和像差特点选定结构形式，并进行系统像差的校正和优化.设计结果系统光学总长760 mm，各焦距位置全视场50 lp/mm处MTF>0.3，各项指标满足系统要求.

在变焦镜头设计的最后阶段需要进行凸轮曲线的设计，为了平衡成像倍率变化的均匀性与凸轮转角，需要选择合适的凸轮曲线形式，要求建立成像倍率M与凸轮转角θ之间的某种函数关系。根据凸轮曲线所要满足的实际边界条件和函数连续性，建立M与θ几种常见的函数关系，利用Matlab对设计实例进行仿真。结果表明：建立的成像倍率M和凸轮转角θ的幂函数关系及压力升角都不超过允许值时，变倍倍率变化均衡性最好，倍率变化曲线平滑，且无凸轮拐点。该方法可以方便设计人员针对不同设计要求改变凸轮曲线形状，找到最佳变倍凸轮曲线。

变焦距镜头普遍采用机械补偿法来改变焦距，变焦凸轮是其实现连续变焦的关键。为了减小变焦距镜头的质量和体积，本文研究了用机械补偿方式改变变焦距镜头焦距的原理，采用NX/Nastran软件对变焦凸轮结构进行了仿真分析，并针对分析结果对变焦凸轮结构进行了优化设计。优化结果使变焦凸轮质量减小了88 g，壁厚减小了1.5 mm，外径尺寸减小了3 mm。对优化后的变焦凸轮进行了模态分析和热分析。模态分析显示，凸轮主体一阶频率为50.3 Hz；热分析显示，凸轮在90 ℃温差作用下变形大小为0.006 mm。最后通过对光学传递函数的检测以及振动和高低温试验验证了仿真分析的正确性，表明对变焦凸轮的优化设计是成功的。

为提高变焦距系统的工作性能，使其在大视场时仍具有良好的像质，且系统结构简单，易于机械设计、加工及装调，在设计中引入了传统球面光学设计与非球面相结合的设计思想。选择4个焦距位置进行设计计算，用光学设计软件ZEMAX上机调试，设计了焦距为6.9mm～91.6mm，视场5°～60°的变焦系统，整个系统由4组12片透镜组成，其中包括3个非球面,系统具有变倍比高、视场大等特点。设计结果表明：在设计中采用非球面可使系统结构紧凑，系统成像质量得到提高。