大视场离轴反射光学系统可以获取丰富的信息资源,是未来空间光学系统的发展趋势。自由曲面在离轴反射光学系统中的应用可以增大系统视场,但大视场自由曲面离轴反射光学系统初始结构较少,优化过程复杂,设计难度大。提出了一种大视场自由曲面离轴反射光学系统设计方法,首先基于矢量像差理论与费马原理直接获得成像质量较好的无遮拦自由曲面初始系统,再对其进行简单优化即可得到最终的大视场自由曲面光学系统。该方法可以降低大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计难度。设计了一个大视场自由曲面离轴三反光学系统,光学系统视场为30°×3°,F数为2,验证了所提方法的有效性。

与非制冷探测器相比,制冷型探测器具有灵敏度高、响应速度快和探测距离远等优点,已被广泛应用于红外光学系统中。为了有效抑制杂散光,制冷型探测器冷光阑位置需要与光学系统实出瞳位置重合。本文提出了一种制冷型离轴反射光学系统设计方法,通过光瞳离轴和视场离轴实现无遮拦设计,利用矢量像差理论可直接获得制冷型离轴反射光学系统的初始结构。针对长波红外制冷型探测器,设计了一个自由曲面离轴三反光学系统,满足了冷光阑的匹配条件。其光学系统的F数为2.5,焦距为300 mm,视场角为3°×5°。使用自由曲面校正光学系统像差,光学系统成像质量好,反射镜无倾斜和偏心,光学系统易于装调。

红外光学系统在**、航空航天、民用等领域应用越来越广, 系统面临的外界环境复杂多变。只用光学分析软件来评估系统性能的传统方法不仅无法综合考虑不同材料间耦合影响, 也不能较为准确地描述热物理梯度场, 因此对结果的精确性分析略显不足, 而光机热集成分析是综合多物理场作用的有效方法, 涵盖了光学、机械、热学三个方向对系统性能的影响因素。通过研究Zernike多项式拟合算法, 编制了学科间的数据转换程序, 实现了分析模块间的数据传输, 并在热不敏红外系统的设计过程中采用光机热集成分析方法得到高低温工况下的光学系统传递函数, 为指导系统设计改进、提高系统性能提供了有力的理论依据。

针对传统红外连续变焦系统难以同时满足高变倍比和大相对口径的使用要求, 通过采用复合变焦光学系统结构, 增加传统红外连续变焦光学系统的变焦距范围和相对口径。基于长波红外320×240像元、25 μm×25 μm非制冷焦平面探测器, 设计了一款高变倍比大相对口径长波红外变焦光学系统,光学系统由一个连续变焦部分与两档变焦部分组成, 通过引入衍射光学元件校正长焦端色差, 工作波段为8 μm～12 μm, 焦距变化范围为-9 mm～-272.25 mm, F数为1.4。该系统具有成像质量好、变倍比高、相对口径大、导程小和凸轮曲线平滑等优点。

基于复合变焦光学系统原理,提出了一种新型复合变焦光学系统结构。该结构将连续变焦与两档变焦结合,可以增大变焦光学系统的焦距变化范围,实现更大的搜索范围和更远的跟踪距离。建立了新型复合变焦系统光学设计的数学模型。在该模型的指导下,针对像元数为320×240,像元尺寸为30 μm×30 μm的长波红外非制冷焦平面探测器,设计了一款新型复合变焦光学系统。该系统工作波段为8~12 μm,焦距变化范围为10~360 mm,在10~60 mm时,F数为2,在60~360 mm时,F数为4。对光学系统凸轮曲线和性能进行了分析。结果表明,该系统具有变倍比大、结构简单、像质好和变焦轨迹平滑等优点,验证了该数学模型的有效性。

设计了适用于制冷型320×256 中波红外凝视焦平面阵列探测器和320×256长波红外凝视焦平面阵列探测器的共孔径消热差折反射式红外双波段光学系统。该系统在中波3.7~4.8 μm, 长波7.7~11.7 μm, 环境温度10~40 ℃下工作, 其焦距为292 mm, 视场角为1.56°×1.875°, F/＃为1.93, 满足100％冷光阑效率。设计的系统共用主镜、次镜和准直镜组, 利用分光镜实现中波红外、长波红外光谱分光, 后接各自的校正镜组校正剩余像差。给出了设计原理、设计过程和工程设计时需考虑的一些因素, 通过选择合适的光学材料、机械材料和分配光焦度, 实现了两路系统在10~40 ℃环境温度下具有良好的成像性能。该系统成像质量良好、可加工性好、装配难度小、工程可实施性强。

与红外定焦镜头和红外两档变焦镜头相比，红外连续变焦镜头具有连续可变的视场，可对目标进行连续的跟踪，是未来红外成像技术的发展方向。随着光学冷加工、精密机械加工、镀膜技术等工艺水平的不断进步，以及现代科技的发展要求，红外变焦镜头向高变焦比方向发展，同时还须保持良好的成像和消热差性能。概述了国外各种高变焦比中波红外镜头的结构和设计方法，包括20×高变焦比中波红外镜头、30×高变焦比中波红外镜头、300×高变焦比中波红外镜头，总结了一套高变焦比中波红外镜头设计经验，对国内高变焦比中波红外镜头的应用发展研究有借鉴价值。

系统研究分析了红外光学系统中各个光学参数随温度变化的影响情况,根据红外硫系光学材料折射率温度系数较小的特点,并结合折反射结构良好的消热差特性，应用Code-v光学设计软件设计了一种折反式中波红外探测无热化成像系统，系统工作波段为3.7～4.8 μm，焦距为109.7 mm，全视场角为6.4°，F/＃为2.0，满足100％冷光阑效率，采用锗、硫化锌和硫系玻璃AMTIR1三种红外材料，设计结果表明，该系统在低温-40 ℃、高温60 ℃时的成像质量和常温20 ℃的成像质量变化不大，取得了良好的成像性能，可匹配像元尺寸为30 μm，像元数320×256的凝视型焦平面阵列中波红外探测器。

相比红外光谱定焦成像系统和红外光谱两档成像系统而言, 红外光谱连续变焦成像系统具有连续变化的视场, 可对目标进行连续成像, 是未来红外光谱成像技术的发展方向。 为了提高红外光谱连续变焦成像系统的探测性能、 实现低成本、 良好的消热差性能, 近年来国外开发了一些新技术。 概述了国外红外材料、 红外探测器、 冷光阑等方面的新技术, 及这些新技术在红外光谱变焦成像系统中的具体应用, 列举了使用新型红外材料实现消热差的红外目标探测连续变焦系统, 中波红外、 长波红外光谱双波段连续变焦系统, 高变焦比红外光谱连续变焦系统, 应用可变冷光阑技术的红外光谱连续变焦系统设计实例, 作为国内红外光谱变焦成像系统发展的借鉴。