目前,对深海的探索已经成为各国竞相研究的热点,为满足我国深海探测需求,本文设计了可在水下11000m成像的深海专用连续变焦光学系统。文中先是分析了水的光学特性及其对水下成像的影响,又经过对变焦理论研究后,在设计要求的基础上,加上深海中光学设计需要考虑的因素,最终确定机械负组补偿变焦方式。在专利的基础上对光学系统逐步改良优化,在优化过程中,控制主光线在像面的入射角度,以此形成像方远心光路,达到像面照度均匀效果。更换不同材料搭配,达到消色差、减小二级光谱的目的。同时加入非球面平衡轴外像差。特别地,文中对水下光学窗口进行重点研究,从面形和材料两方面分析,经过对比过后选择了蓝宝石的球面形光学窗口。万米深海中静水压极大,以往应用于深海中的光学系统,都没有考虑水下光窗受深海静水压挤压而导致面形变化的问题。本文研究了光学窗口的形变,对水下11000m深度的光学窗口进行了静力学分析后,获得了镜面位移云图和面形变化文件,将光窗面形变化结果导入到光机数据转换软件中,之后用Zernike多项式形式将面形变化拟合出来,并代入到光学软件中加以优化。最终设计出一款大视场、高分辨率、高变倍比的深海变焦光学系统,该变焦系统可实现全视场5.7°～90°,10倍连续变焦的功能,在208lp/mm处,整个变焦区域内全视场的调制传递函数（MTF）值均大于0.3,系统各变焦位置的最大畸变均小于3%。系统工作距为5m,变焦全程F数恒定为3.0,使用三片非球面,系统总长为260mm。对变焦系统进行了公差分析,绘制了变焦凸轮曲线。结果表明:本文所设计的深海变焦光学系统成像质量良好,结构紧凑,变焦曲线平滑,有较好的公差性能,满足实际应用的需要,可作为深海4K变焦相机的镜头。