某研究所要求研制一台夜间红外观测系统,观测波段为3～5 μm,焦距f=900 mm,相对口径为1∶4,视场角2ω=0.8°.红外焦平面是已有的,其冷屏直径为Φ5 mm,冷屏至焦面的距离为20 mm.由于从设计开始,要求完成的时限很短,因此必须将缩短加工周期的问题作为重要因素来考虑.工作在3～5 μm波段,首选的必然是非球面反射系统,而非球面的加工与检验的难易直接和其参数有关.因此在评价设计结果时,不能仅从像质好坏来看,还要看其需要的加工周期长短.接受到任务之后,首先找到了可行的方案,然后设计了几个具体的系统,在比较了两个最可行的设计结果之后,选择了其中之一.

与红外连续变焦光学系统相比，红外两档变焦光学系统具有结构简单、装调容易、透射比高等优点。研究了红外两档变焦光学系统的设计方法并给出了具体设计实例，该系统采用轴向移动式变焦方式，设计结果表明，在-20℃-40℃的温度范围内，空间频率141p／mm处，宽视场和窄视场都具有良好的成像质量。

针对高空预警探测系统中红外光学系统的需求，在分析大口径光学系统结构特点的基础上，研究了非球面系统的特点，结合两镜R-C系统结构计算方法，提出系统主要性能指标，并设计了一个符合要求的450mm口径红外非球面光学系统。系统采用全非球面的设计，经过系统优化、像差和热差分析。该系统具有结构简单、质量轻、口径大、焦距长、失真小以及良好温度适应性等特点。

为满足红外光学系统高环境适应性和高灵敏度的发展要求,采用折/衍混合结构改进红外3.2～4.2 μm波段,F/#为1.5,视场角为±2.5°的Si Ge四片式佩茨瓦尔(Petzval)物镜,实现了-60～160 ℃超宽温度范围的光学被动式消热差设计.改进系统并保持原系统光学性能参数,在空间频率20 lp/mm处,光学传递函数(MTF)保持在0.78以上,接近衍射极限,成像质量高而稳定.该系统可用于像元尺寸大于25 μm的非制冷凝视式焦平面阵列探测器.

用投影无热差图和双层衍射元件选玻璃的原则，选择了适用红外双波段消热差、消色差的玻璃组合．为提高衍射效率，基于双层衍射元件衍射效率表达式研究了双层谐衍射元件的结构优化，给出了优化方法．利用双层谐衍射元件设计的折衍混合双波段光学系统视场角10°，F#为2，有效焦距115mm．系统在3．4～4．2um和8～11um两个工作波段的衍射效率均达到90％以上；-40～100℃温度范围内，中心视场的调制传递函数值变化最大为0．09、边缘视场的调制传递函数值变化最大为0．13．

与连续变焦光学系统相比,红外两档变倍光学系统具有结构简单、成像质量好、装调容易等点,介绍了红外两档变倍光学系统的设计方法,并举例设计了一种方案合理、成像质量好的红外两档变倍光学系统,对光学系统的0视场、0.5视场、0.71视场、0.866视场和1视场成像质量进行了分析,给出了各个视场的分析结果,同时分析了温度变化对光学系统的影响,分析表明设计结果能够较好地满足实际工程需要.

从光学系统装调中影响像质的误差来源出发,分析了光学传递函数仪的检测结果与光学系统装调误差之间的关系,讨论了光学传递函数仪在红外光学系统装调中的应用。实验证明,光学传递函数仪在红外光学系统装调中的应用是可行的。

红外光学系统无热化效果评估，需采用光学检测的方法对被测系统在不同温度情况下的焦点位置偏移和像点质量变化进行测试。本文介绍了一种中波红外光学系统无热化评估系统的工作原理及结构形式．并给出了高低温箱温度效应、红外窗口凝霜、红外显微物镜设计等技术难点的解决方案。最终的评估效果表明，系统设计满足使用要求。

与连续变焦光学系统相比，两档变焦光学系统具有结构简单、装调容易、透射比高等优点。针对320×240非制冷焦平面阵列探测器，设计了一个长波红外两档变焦光学系统，系统采用切入式变焦方式，在短焦时切入两片透镜实现宽视场，宽视场时全视场角为31．4°，可用于跟踪和搜索目标；窄视场时全视场角为6．44°，可用于捕获和观察目标。通过引入二元面和非球面，大大提高了成像质量，在空间频率11lp／mm处，宽视场和窄视场都具有较好的成像质量。

针对长波160X120元非制冷焦平面阵列探测器，设计了8～12μm波段折席亍混合红外连续变焦光学系统。该系统采用机械补偿的变焦方式，变焦过程中相对孔径不变，F数为1．0，系统变焦比为4：1，在一定焦距范围内可实现连续变焦。变焦系统仅采用锗材料，通过引入衍射面和高次非球面校正系统色差和轴外像差，在空间频率14lp／mm处，全焦距范围内MTF均在0．7以上，成像质量较好，可以连续变焦，并给出了变倍组和补偿组的变焦运动曲线。