衍射光学元件（DOE）在红外双波段甚至多波段的应用逐渐成为热点。基于双层DOE的多色光积分衍射效率（PIDE）最大化的设计思想，在工作波段范围内设计最佳工作波长，从而计算双层DOE的最佳微结构高度，并给出了适用于多波段光学系统的PIDE权重分配的数学分析模型。基于此双层DOE，设计了F数为1.1、焦距为75 mm的双波段（3.7~4.8 μm和8.0~12.0 μm）红外光学系统。在29.4 lp/mm空间频率处，系统中、长波红外所有视场调制传递函数（MTF）分别高于0.60和0.45，在-40~60 ℃范围内实现了无热化设计。该系统在改善成像质量、小型化、轻量化，以及红外双波段消热差等方面表现出了巨大的优势。

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质, 设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在(3.7～4.8) μm和(7.7～9.5) μm红外双波段光学系统。光学系统的焦距为200 mm, F#为2。采用像元数为320×256、间距为30 μm的制冷型探测器。该系统在空间频率17 lp/mm时, 中、长波红外MTF分别高于0.66和0.54; 最大RMS半径小于11.702 μm; 波前像差小于0.191 7λ; 最大离焦量小于焦深; 在-55℃~71℃范围内实现了无热化设计。入射到衍射面上的角度为0°～5.19°, 该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为99.81%和97.36%。含有双层衍射光学元件的红外双波段光学系统结构简单, 像质优良, 可以广泛应用于**探测系统中。

建立了工作在一定入射角度范围内的多层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的分析模型。基于衍射光学元件所具有的独特的消色差和消热差性质, 设计了一个含有双层衍射光学元件的工作在 3.7～4.8 .m和 7.7～9.5 .m红外双波段光学系统。光学系统的焦距为 100 mm, F#为 2, 采用像元数为 640×512、间距为 15 .m的制冷型探测器。该系统在空间频率 33 lp/mm时, 中、长波红外 MTF分别高于 0.52和 0.16, 最大 RMS半径小于 9.88 .m, 波前像差小于 0.0705., 最大离焦量小于焦深, 在－40℃～71℃范围内实现了无热化设计。系统中采用的双层衍射光学元件在红外双波段的带宽积分平均衍射效率高于 99.15%。入射到衍射面上的角度为 0°～10°, 该双层衍射光学元件在中波和长波波段的复合带宽积分平均衍射效率分别为 97.70%和 96.95%。

双层衍射光学元件能够在宽波段光谱范围内工作并具有较高的衍射效率。提出了工作在一定入射角范围内的双层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率的数学分析模型。设计了一种工作波段为0.4~0.9 m的含有双层衍射光学元件的宽波段光学系统。其焦距为28 mm, F/#为2, 视场达到18°。该系统采用Petzval物镜结构, 由四片透镜组成。在60 lp/mm处, 其调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)大于0.67。所用双层衍射光学元件在0.4~0.9 m波段内的带宽积分平均衍射效率高于91%。系统中入射到衍射面上的角度为0°~8.62°。该双层衍射光学元件的复合带宽积分平均衍射效率为97.36%。与传统的折射式宽波段光学系统相比, 含有双层衍射光学元件的宽波段光学系统的结构更简单, 分辨率更高。

利用红外双波段成像能够获得更多的信息，从而提高探测和识别能力。将多层衍射光学元件应用到红外双波段光学系统中，可以校正色差、简化结构。讨论了多层衍射光学元件的成像特性，相比于单层衍射光学元件，多层衍射光学元件可在宽波段范围内获得高衍射效率，给出了多层衍射光学元件设计方法。基于此，设计了一种红外双波段混合成像光学系统。其中，双层衍射光学元件在3.7~4.8 μm和7.7~9.5 μm工作波段上的衍射效率达98.5%以上。仿真结果表明，系统像质良好，满足要求。

基于单层衍射二元光学元件的相位延迟表达式, 将双层衍射光学元件的衍射面用二元光学元件的台阶表面近似模拟, 推导出光束斜入射时双层衍射光学元件的衍射面产生的相位延迟, 揭示出含有斜入射角度的双层衍射光学元件衍射效率表达式。实例分析结果表明, 双层衍射光学元件衍射效率仅在一定角度范围内对入射角的变化不敏感, 当入射角度持续增大时, 衍射效率随入射角的增加快速下降。当入射角从0°增大到4.5°时, 衍射效率几乎没有下降; 当入射角从4.5°增大到6.7°时, 衍射效率开始缓慢下降到95％; 当入射角从6.7°增大到9.5°时, 衍射效率明显下降到80％; 当入射角从9.5°增大到18°时, 衍射效率快速下降到0。