硫系玻璃作为优良的消色差和消热差红外材料，是红外光学系统中关键光学元件的理想候选材料，文中利用硫系玻璃实现中波红外光学系统无热化设计。首先分析了温度变化对红外光学系统的影响；其次分析了常用硫系玻璃的各方面特性，并总结了硫系玻璃的优点；最后利用硫系玻璃，镜筒材料选择最常用的铝合金材料,设计了一个工作于中波红外的二次成像全球面无热化成像系统。设计结果表明：在0～100 ℃温度范围内，光学系统的成像质量优异，具有良好的无热化能力。使用硫系玻璃可实现低成本高性能中波红外光学系统。

由于红外具有能识别伪装、可昼夜工作和被动工作的优势而被广泛地应用于跟踪和搜索系统.而这些系统要求红外光学系统成像清晰、结构紧凑、可适应较大的温度变化.依据光学被动消热差的方法设计了可在较宽温度范围工作、成像质量优良、结构紧凑、体积小的红外中波摄远物镜,其摄远比可达到0.6.系统参数如下:工作波段为3~5 ?m,焦距150mm,F 数为3,工作温度为－40℃~60℃.设计结果显示,该系统仅采用3 片透镜并利用衍射元件消热差完成了无热化的要求,减少了系统的成本及重量,传递函数在17 lp/mm 处均在0.8 以上,与衍射极限十分接近,满足在宽温度范围内工作成像质量高及系统小型化的要求.

为解决光学消热差技术镜片多且结构复杂的问题，提出了一种两片式远距结构消热差光学设计方法。该光学系统由前折衍混合正透镜和后负透镜组成，衍射面补偿系统的大部分色差和小部分热差，剩余色差和热差由负透镜平衡。设计了用于非制冷红外探测器的长波红外物镜，焦距为120 mm，F数为1.2，远距比为0.9。调制传递函数（MTF）的设计值接近衍射极限，轴上30 lp/mm处MTF的实测结果优于0.45，成像质量优良。环境温度实验测试结果表明，-40 ℃~60 ℃温度范围内，靶标边缘锐利，无温度离焦。两片式远距结构消热差红外物镜适用于机载或弹载的轻量化光电系统。

论述了无热化设计的种类和光学被动式无热化设计的基本原理。使用光学被动式无热化设计方案, 设计了一款工作波段为 8～12 μm、焦距 f′＝16.5 mm、F#＝0.8、视场为 36.5°×27.8°的大孔径、大视场辅助驾驶无热化红外镜头。此镜头体积小、重量轻、结构简单, 适用于辅助驾驶系统。此红外镜头在－40℃～60℃的工作温度范围内, 无需调焦, 能自动消除热差影响, 始终保证成像清晰。经过寒区(低温)试验, 满足无热化设计的需要。

对比了典型消热差方法的优劣，探讨光学被动式消热差的基本理论。在此基础上，根据系统要求的温度范围-60℃～90℃，在常温初始结构的基础上，利用Zemax软件的多重结构和自动热分析功能增加其他温度结构，运用光学被动式消热差方法进行热平衡和像差平衡，最终设计出一套中波制冷型消热差光学系统。光学设计时以探测器冷阑作为系统孔径光阑，实现了100%冷阑匹配。结构材料使用铝，光学材料为硅、锗和硒化锌,将它们组合消热差。系统在-60℃～90℃温度范围内，最大离焦量小于1倍焦深，空间分辨率17 lp/mm处，光学调制传递函数(MTF)值均大于0.74，接近衍射极限，点列图弥散斑均未超出单像元尺寸范围。

为了满足地平仪系统轻小、廉价、性能可靠的要求，设计了折/衍混合无热化凝视型红外地平仪系统。利用衍射元件特殊的像差特性和热差特性，采用折/衍混合广角f-θ镜头结构对地平仪系统进行大视场像差、色差和热差校正，采用反远距结构，保证系统具有足够的后工作距。设计结果表明，在温度为20 ℃时，140°广角f-θ镜头的线性特性小于0.5%；在-20 ℃~40 ℃温度变化范围内，空间频率20 lp/mm处光学系统的调制传递函数均大于0.52，光学系统的波像差均小于λ/4，系统设计接近衍射极限满足成像要求，优化设计后光学系统的后工作距离为15 mm，满足红外光学系统的装配需求。

介绍了无热化在红外光学系统中的作用和意义，分析了温度对光学参量的影响，探讨了无热化设计方法及光学被动式无热化基本原理。设计了一种用于320×256制冷型探测器光学被动式无热化中波红外光学系统，镜筒材料采用钛合金，光学材料为硅、锗和硒化锌组合消热差。该系统在－50～70℃温度范围内，最大离焦量小于1倍焦深，空间分辨率17 lp/mm处，光学调制传递函数（MTF）值大于0.7，比较接近衍射极限，探测器单像元内能量集中度大于84%。分析结果表明：该系统具有良好的成像质量和无热效果。

为减小温度对航空变焦距镜头成像质量的影响，设计了一种基于差动原理的被动消热结构。通过NX Nastran有限元分析软件对变焦镜头在高温和低温两种工况下进行了热分析，利用消热原理及分析数据对变焦镜头4个组件进行了消热设计。对消热设计前、后的变焦镜头进行了消热结构耦合分析，分析结果表明变焦镜头经过消热设计后最大热变形量减小了0.03 mm。利用泽尼克系数作为数据接口，将获得的热结构分析结果作为光学分析软件Code V输入，仿真出了消热设计前、后变焦镜头在+55 ℃时的光学传递函数曲线。和镜头设计传递函数值相比，消热设计前镜头在78 lp/mm处传递函数值减小约0.2，传递函数值下降了50%，而消热设计后镜头传递函数值基本保持不变。仿真结果证实了消热设计的有效性。最后通过实验验证了仿真结果的正确性。

分析了温度对红外光学系统的影响。军用红外光学系统往往工作在温度变化较大的环境中，因此必须采取有效的温度补偿措施 以减少离焦。介绍了红外光学系统无热化设计的方法及原理。根据小型红外光学系统的设计参数，提出了光学被动式无热化设计思路。试验结果表明，光学 系统在0 ～ 60 ℃范围内可保持良好的成像效果。

采用光学被动式无热化设计方法，给出了针对长波红外制冷型光学系统的一个设计实例。该系统采用了 576元线列探测器，相比于以往 288元线列探测器而言，在相对孔径、焦距等参数不变的条件下，视场扩大了一倍。该系统 F数为 1.6，焦距 100 mm，视场 9.2°，实现了 100%的冷光阑匹配。设计结果表明，该系统在－50℃～＋90℃的宽温度范围内，像质接近衍射限，无须任何调焦，无热化性能良好。