因为红外变焦光学系统较强的抗干扰能力、环境适应能力、隐蔽性好、可以全天候工作等独特的优点,因此在防空预警、战场跟踪探测等军事领域和安防、医疗等生活领域越来越受到重视。另外有别于传统的定焦红外镜头和换挡式的红外变焦镜头,红外连续变焦镜头既可以实现大视场的搜索探测,又能实现小视场的跟踪观察,同时不会造成目标的丢失。随着应用场景的不断拓展,对红外连续变焦镜头有了越来越高的要求,不仅要求系统的成像质量良好,而且要求系统具有更高的变倍比,更大的变焦范围,同时做到小型化与轻量化,使得系统的设计难度增大。基于此,本文首先回顾了近年来国内外各种红外连续变焦系统的研究成果,分析对比了几种变焦结构的优劣,再结合了变焦距系统的理论基础,分析推导了连续变焦系统的微分方程,并求出了高斯解。通过研究对比各种设计方案和理念,选取了一种改良型的双组联动变焦补偿结构,最终设计了一套制冷型红外中波大变倍比连续变焦光学系统。本系统的变焦范围为15mm~550mm,工作波段为3.7μm~4.8μm,F数固定为4,视场范围为44.58°~1.28°,所用探测器为640×512制冷凝视焦平面型探测器,像元尺寸为158)。通过引入一定的非球面提高了像质,将探测器的冷光阑作为系统的孔径光阑以达到100%的冷光阑效率,同时使用二次成像技术压缩透镜口径。像质分析结果表明,系统在所有焦距的全视场范围内,MTF曲线在奈奎斯特频率处均不低于0.25,且接近衍射极限,点列图弥散斑在一个像元尺寸以内,畸变小于5%,像质优良。最后,本文对系统进行了冷反射分析和公差分析,采用后组调焦补偿的方法消除了系统因温度变化产生的离焦,针对凸轮曲线的优化,本文提出一种凸轮曲线优化设计思路,采用分段处理的方式,在曲线较陡的区间内,利用四次多项式划分横坐标间距,使其弧长(旋转角度)逐渐增大;在曲线较缓的区间内均分弧长,并对本系统的凸轮曲线进行优化分析,结果表明可以显著改善凸轮曲线,减小曲线压力角,优化后的曲线平滑无拐点,变焦流畅,可以有效改善凸轮的整体性能。最终设计的系统像质良好,结构紧凑,满足设计要求。