本文首先建立了三组元连续变焦光学系统数学模型,利用该模型设计完成了两款大变倍比连续变焦光学系统。基于1920×1080高清成像芯片,设计完成了100x可见光连续变焦光学系统。该变焦光学系统的焦距为6~600mm,F/#为3~9。该系统采用正组补偿式光学系统结构型式、三组元独立运动实现连续变焦。系统中均采用国产玻璃材料,极大降低了加工成本。文中对该系统的MTF、点列图、畸变等性能都进行了分析。在连续变焦过程中,传递函数曲线在中心视场处均接近于衍射极限,弥散斑尺寸均小于探测器的像元尺寸,最大畸变值小于9%。文中利用两种设计方法,完成了各动组凸轮曲线的优化设计和对比分析。最后得到的变焦凸轮曲线平滑无拐点、吻合程度高。上述结果分析表明该可见光连续变焦光学系统具有变倍比大、变焦轨迹平滑、分辨率高、成像质量好等优点。为证明该三组元变焦数学模型具有普遍适应性,基于640×512制冷型凝视焦平面探测器设计完成了80x中波红外连续变焦光学系统。该系统工作波段为3.7μm~4.8μm,F数为4,焦距变化范围为9~740mm。利用二次成像方法及两个平面反射镜对该系统进行U型折叠,在实现100%冷屏效率的同时有效控制了横向和纵向尺寸。从光学传递函数、点列图、畸变、冷反射及环境适应特性等多个角度对系统进行了分析。通过上述分析表明该系统具有变倍比大、冷反射抑制特性好、结构紧凑、变焦行程短等优点,对于类似系统的设计具有一定参考价值。可见及红外两种系统的设计进一步证明了三组元连续变焦数学模型的正确性和可行性。