近来,随着光学仪器的不断发展,变焦镜头在很多领域中得以广泛应用。变焦指得是在光学系统和光学成像中通过改变光学系统的焦距;变焦系统可实现连续的光学变焦、对不同物距的目标实现连续成像,在视频监控、电子设备和检测等领域中具有广阔的应用场景和发展潜力,如:智能手机、虚拟现实技术(VR)、增强现实技术(AR)等。目前,随着光学系统向小型化、扁平化发展的趋势日益明显,传统的变焦系统逐渐难以满足实际需求,新型的紧凑型变焦系统将成为当前的研究热点。本文从标量衍射基本理论模型出发,主要介绍了常用的标量衍射理论模型和三种常用的衍射光学元件,如:菲涅尔波带、光子筛和多台阶相位衍射元件;依据本课题紧凑型变焦关键器件的设计特点和要求,可选择使用标量衍射模型来进行变焦系统关键器件聚焦光场的分析;利用横向位移实现连续变焦的基本原理,研究提出了一种可调焦的扁平化位相波带片和一种复合型可调焦的光子筛衍射元件。本文的主要研究内容如下:分析了光学变焦系统的发展历程和研究现状,并进行了详尽的综述。从传统的纵向变焦系统开始,总结了光学变焦的基本原理和方法;然后,对比分析了有源变焦器件变焦、多摄像头变焦、横向变焦等变焦的系统优缺点,得出横向变焦方式与衍射元件结合的紧凑型变焦系统实现方案。研究了一种可实现横向调制的组合波带相位型变焦衍射元件。首先介绍了相位型波带片的设计方法,并通过仿真结果证明其可实现横向变焦的有效调制,可保证5倍变倍比。本文以复合型光子筛为设计基础,提出了一种可实现横向调制变焦的光子筛衍射器件。并通过仿真结果,证明了该器件的变焦功能。针对聚焦特性,将其与相位型波带片进行对比,并最终选择相位型波带片方案。为了验证器件的聚焦性能,以空间光调制器为基础,搭建了半实物仿真实验装置,并通过采集图像结果验证了器件的变焦能力。此外,对变焦元件在实际装配中的对准误差进行了详细讨论,并得出大致误差容许范围,对器件的装配具有指导意义。建立等效色散模型,并对变焦元件的位置色差进行评估。