低温光学能够降低红外光学系统自身热噪声, 有效提高探测灵敏度。支撑结构是实现光学系统在低温下正常工作的关键部件。设计的透射式低温光学系统工作温度为150 K, 采用脉冲管制冷机这种新型机械式低温制冷机做冷源。因制冷机冷指直径较小, 直接冷却光学透镜会在透镜内部产生较大温差, 影响成像质量, 为此设计了一种新型支撑结构, 一方面设计了新型的轴向支撑和径向支撑用来减少透镜在低温下的形变, 另一方面建立了透镜与脉冲管制冷机之间的传热模型, 来指导支撑结构热设计, 减小透镜内部温差。最后, 对透镜支撑的低温性能进行了测试, 实验结果表明, 经过3 h, 透镜温度由300 K降至150 K, 支撑结构很好地保护了透镜并且在降温过程中透镜内部温差小于1 K。当温度从300 K降低到150 K时, 光学表面的最大变形小于1 λ(1 λ= 632.8 nm)。支撑结构从机械和热学性能上满足了低温光学系统的需要,为机械式制冷机冷却光学系统的光机结构设计提供了一种新选择。

由于能够减小系统自身的热噪声和提高系统信噪比, 低温光学是实现高灵敏度红外探测的必要手段。提出了一种将脉冲管制冷机用作冷源的透射式低温光学系统。这种新型低温光学系统可用于体积和重量受限而又需要进行高灵敏度红外探测的场合。从光学设计、光机结构设计和内部热噪声分析等方面说明了透射式低温光学系统的设计过程。搭建了用于对脉冲管制冷机冷却光学系统的可行性进行验证的试验系统, 并从系统内部热噪声的角度对低温光学的有效性进行了验证。实验结果表明, 经过3 h, 透镜温度由300 K降至设计温度150 K, 继续降温则可达到最低温度105 K。测试过程中, 透镜保持完好, 验证了将脉冲管制冷机用作冷源的可行性。用黑体和320×256元碲镉汞探测器对光学系统自身的热噪声进行了测试。结果表明, 当光学系统的温度从300 K降至215 K时, 其自身热辐射减少了75%。这与理论分析结果一致, 验证了低温光学降噪的有效性。