提出了一种基于变焦原理和初级像差理论的机械补偿式的长焦距离轴全反射式三档变焦光学系统设计方法。首先，建立了同轴四反射镜变焦光学系统初始结构求解模型，基于该模型，应用开发的自适应变异概率遗传算法对其进行求解，得到了同轴系统部分初始结构参数；然后，将其进行适当偏心和倾斜来消除共轴系统中心遮拦问题，结合光学设计软件Zemax对离轴系统像差进行校正。最后，应用上述设计方法，系统中各块反射镜光学面采用非球面设计，设计出高成像质量的焦距为300、600、900 mm的三档变焦离轴四反射镜光学系统。结果表明，该方法为离轴全反射式三档变焦光学系统设计提供了一种有效手段，能设计出满足实际应用需求的系统。

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。

为了使机械补偿的连续变焦光学系统可以连续、平稳地成像, 提出了一种减小变焦系统凸轮曲线压力角的方法.改变变倍曲线方程, 运用动态光学原理, 拟合的补偿曲线的压力角有明显减小趋势.原始设计变倍曲线的压力角为31.4°, 补偿曲线的最大压力角大于50°.运用插值法改变变倍组方程, 得到的变倍曲线的最大压力角小于37°, 补偿曲线的最大压力角小于23°, 得到的新的凸轮曲线满足曲线压力角小于45°的要求.实际光学系统检测的结果证明了这种方法的可行性.该方法可以有效地减小凸轮曲线的压力角, 实际变焦系统能够连续清晰地成像.

基于机械补偿方式设计了一款间断式连续变焦中波红外光学系统。该光学系统由前固定组、变倍组、补偿组、后固定组、反射镜一、反射镜二、中继组组成。光学系统采用间断式机械补偿方式满足光学系统小视场和超小视场为长焦距和超长焦距定焦、小视场至大视场为连续变焦、光学系统小型化等要求,实现了超小视场和小视场为定焦和小视场至大视场为连续变焦的中波红外光学系统,兼顾了超小视场和小视场观察瞄准以及大视场至小视场连续观察的功能。变焦过程中变倍补偿曲线平滑、无拐点、像面稳定。光学系统外形包络在350 mm×116 mm(局部168 mm)×65 mm(局部130 mm,含结构部分)范围内,系统紧凑。设计结果表明该光学系统像质良好,满足热像仪使用要求。

为了实现大口径长焦距的变焦光学系统在光电跟踪设备的需求, 通过对变焦原理的分析与计算, 进而确定出合适的初始结构。通过分析比较, 确定采用机械补偿变焦型来实现整个变焦系统。整个系统需要设计实现100 mm~600 mm的连续变焦, 同时保证其F数不发生变化, 同时由于孔径较大, 且焦距变化范围比较长, 因此设计难度比较大。通过优化设计得到结果, 该系统的设计结果表明整个系统的总长达到了563.956 mm, F数基本保持不变, 这样在实际的应用中该系统可以实现远距离的成像。系统在中长焦距时, 其MTF值在30 lp/mm处都大于0.4, 在短焦时性能略有下降, 对于实际应用满足要求。

根据变焦距理论和显微物镜的特点, 利用Zemax设计了一款可连续变倍的显微物镜。该物镜由4组双胶合透镜组构成, 结构简单, 成像质量良好, 变倍范围在0.5×～2.5×之间, 最大数值孔径达到0.1, 共轭距346 mm, 物距76 mm, 空间频率65 lp/mm处, 全视场内的调制传递函数均大于0.3, 适用于可见光光谱, 可以与1/2 inch CCD相匹配。通过对所设计的变倍显微物镜进行公差分析, 得到一套比较宽松的公差, 适合批量生产。设计结果表明, 该变倍显微物镜可以满足工业视频检测的要求。

设计了一款高性能的紧凑型双视场长波红外光学系统, 该光学系统由前固定组、变倍调焦组、后固定组、中继组组成。采用机械补偿变焦方式、光瞳匹配技术、二次成像和二次折叠, 有效地对光学系统纵向和横向尺寸进行了约束, 外形包络在 220 mm×95 mm(局部 135 mm)×50 mm(局部 110 mm)范围内, 系统紧凑, 体积小。通过光学和结构材料的优选搭配及光学系统参数优化配置, 在-40℃～70℃范围内, 控制了光学系统热差, 光学系统光轴稳定, 小视场光轴稳定性＜0.04 mrad, 大/小视场转换光轴平行性＜0.1 mrad; 应用该光学系统的热像仪性能高, MRTD(3 cyc/mrad)＝0.07 K, NETD＝30 mK。设计结果表明光学系统像质良好, 满足热像仪使用要求。

设计了在相同光学引擎、相同屏幕位置下, 能满足不同屏幕尺寸需要的变焦投影物镜。该变焦投影物镜的焦距变化范围为22 mm~37 mm, 视场角为46°~75°, F数为2.8。考虑设计的光学系统要求相对孔径较大, 具有大视场角和小变焦倍比, 根据变焦理论, 采用正组补偿的机械补偿法, 并对变倍组、补偿组进行合理的倍率选段, 求出高斯解; 然后对各组元分别选用合理的初始结构, 利用Zemax光学设计软件进行优化设计, 适当添加非球面。采用二、四组元运动的机械补偿法解决了大视场变焦系统畸变难以控制的问题, 并利用调制传递函数综合评价了整个光学系统。设计结果表明: 该变焦投影物镜系统的光学结构和成像质量均符合设计指标要求, 在空间频率64 Lp·mm-1处调制传递函数(MTF)值均大于0.3, 畸变小于1%。