本发明涉及一种测量多目标景深的光学系统，包括扭曲光栅和变焦镜头，扭曲光栅具有扭曲的光栅条纹，该扭曲光栅的扭曲偏移量被配置为对不同景深的至少两个目标物体以不同的光栅级次聚焦在同一像平面上；变焦镜头设置在扭曲光栅的成像光路上，变焦镜头具有可调节的焦距；光学系统的整体焦距受变焦镜头焦距的变化而变化，使得位于不同景深的至少两个目标物体通过光学系统后被同时焦距在同一像平面上。本发明提出的测量多目标景深的光学系统及方法采用扭曲光栅与变焦镜头构成基本机器视觉传感装置，利用单个机器视觉传感装置即可实现视场范围内多个目标物体的一次成像，得到多个目标物体的景深信息，具有结构简单、使用便携以及信息获取快速的优点。