为了提升产品的可靠性,设计了一款工作在8～14 m波段的光学被动式无热化红外镜头。该镜头无需调焦即可在宽温度范围内清晰成像。系统选用可压型加工、适合大批量生产的新型硫系玻璃。本文中的光学镜头选用三片式结构,基于折/衍射原理设计而成,是一款光学被动式无热化镜头。该镜头的焦距为42 mm,F数为0.9,可匹配像元大小为14 m、像元数为640×512的非制冷长波红外探测器。这种镜头在-40 ℃～50 ℃温度范围内以及在全视场范围内均能清晰成像,其调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)在工作温度和全视场范围内均大于0.38@36 lp/mm,接近衍射极限。

对于工作环境温度在-40～60 ℃之间的长波红外折射光学系统来说，由于红外光学材料受温度变化影响非常大，光学系统必须进行无热化设计。在介绍了无热化系统的种类，分析了温度变化对红外光学系统的影响基础之上，基于非制冷型焦平面探测器，设计了工作在长波红外8～12 μm，F#为2，视场角为6.8°的摄远型物镜系统。采用添加棱镜的方法，使系统在不添加特殊面型的情况下达到无热化的目的，同时使系统结构紧凑，摄远比达到0.69。透镜面型均为标准球面，利于加工、装调、检测。设计结果表明，光学系统的调制传递函数在每个规定温度下均能接近衍射极限,满足了设计要求。

针对324×256非制冷探测器，设计了一个工作波段为8~12 μm，有效焦距为9 mm，F数为1.3，视场角为33.26°×26.28°的红外车载镜头。镜头采用了硫系玻璃材料Ge28Sb12Se60制备的两片镜片，结合常规红外材料锗以及硫化锌材料制备其他两片镜片，通过合理分配各个镜片的光焦度达到系统整体无热化设计的效果。利用硫系玻璃易于精密模压制备非球面的特点，仅在一片硫系玻璃镜片上设计了一处非球面。设计结果表明该系统在-40~60 ℃的温度范围内具有良好的消色差/热差性能，且调制传递函数(MTF)接近衍射极限。

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。

介绍了长波红外消热差系统的种类, 分析了温度对光学元件的影响, 并列出光学参量随温度变化的公式。总结了红外消热差系统的设计原理, 解出消热差消色差条件方程组并设计了一个工作波段为 8～12 μm, f＝25 mm, F数 1.2, 配 384×288, 像元大小 25 μm非制冷探测器的系统。结果表明, 系统结构简单, 在-40℃～80℃温度范围内系统调制传递函数, 均方根弥散斑直径变化均很小, 符合红外消热差系统的条件。

红外光学系统在一定温度条件下会由于温度变化导致系统成像质量变差。利用光学材料热特性之间存在的差异，提出一种光学被动式无热化设计方法，分析了透镜组的消像差方程组并进行求解，讨论了不同透镜材料消热差和消色差的实现过程，利用不同材料合理匹配与合理分配光焦度实现热补偿。针对相同技术指标，设计了两个红外双波段光学系统并对两种系统性能进行比较，结果表明，采用热补偿措施的红外系统在-40～+60 ℃温度范围内弥散圆尺寸变化不大，焦距变化量小于系统最小焦深，成像质量接近衍射极限，不同温度下系统焦距的变化不影响成像质量和性能。

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。

针对目前许多**仪器红外成像系统的结构简单、体积小、质量轻的无热化设计要求，采用光学被动式方法对8 μm~12 μm波段、相对孔径为1的红外光学系统进行了无热化设计。具体光学系统参数：F=1，f=60 mm，2ω=11.4°。设计结果：在-40℃~60℃工作范围内，该系统的调制传递函数(MTF)接近衍射极限，空间分辨率在20 lp/mm处，中心视场传函接近0.7，边缘视场传函大于0.6。其设计结果满足系统的无热化设计要求。

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。