针对超大面阵红外遥感探测的需求，设计了一个基于自由曲面的超大矩形视场制冷型离三反光学系统。系统采用一个偶次非球面反射镜和两个自由曲面反射镜组成二次成像的结构，具有实出瞳并与冷光阑匹配，能够实现100%的冷光阑效率。与其他离轴三反系统相比，该系统最大特点在于其适配了4 k分辨率的大面阵红外探测器，具有视场大、无遮拦、成像质量好等技术特点。系统焦距为150 mm，工作波段为1.5~5 μm，工作F数为5，视场为30°×25°。结构上，主镜采用偶次非球面，次镜和三镜采用XY多项式自由曲面，以校正大视场下的各种像差，系统在各个视场下调制传递函数在25 lp/mm处均大于0.4，满足大面阵红外探测器的成像质量要求。

针对红外光学系统透射比参数无法准确测量的问题，开展了红外光学系统光谱透射比测量和校准技术研究。通过对积分球法、大面积均匀源法等测量方法进行分析，研究构建了基于回返射法的红外光学系统光谱透射比校准装置，并建立了完整的光谱透射比量值溯源和量传链条。利用该装置实现了2 μm~14 μm波长范围的光谱透射比测量，对测量结果进行不确定度分析，结果为2%。相对于以往的透射比测量装置，该装置的测量结果具有更高的准确性和可靠性。

针对大口径红外光学系统的整机透过率测量难题，提出了基于图像灰度的单通道红外透过率测量方法，搭建了大口径红外光学系统整机透过率测量装置。首先，将黑体和靶标按照指定位置关系放置于待测红外光学系统的焦平面处，将红外热像仪放置于待测红外光学系统的入光口，采集被测系统的辐射图像；接着，将黑体放置于红外热像仪前，采集黑体辐射图像；最后，分别计算被测系统辐射图像均值和黑体辐射图像均值，二者比值即为被测系统的透过率。以某型大口径红外光学系统作为被测系统，开展了红外透过率测量实验。实验结果标明：本文方法测量值与设计值的绝对误差为0.85%，对测量结果不确定度进行分析，测量精度约为1.04%，测量方法可行。此方法测量过程简单，为大口径红外光学系统的整机性能评估提供了有效手段。

为了丰富当前可用红外材料的种类，满足新一代红外成像光学系统的轻薄化设计需求，充分利用硫系玻璃组分可调和色散参数可选两大特殊优势，开发了新型硫系玻璃材料，并且在同一系统指标要求下，分别对基于传统红外材料和基于新型硫系玻璃设计的红外光学系统进行了性能对比。基于高折射率硫系玻璃的中波双视场红外光学系统，有效实现了去锗化设计，与基于传统红外材料的红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了35%，长度减少了15%，透过率提高了10%。基于叠层梯度折射率(gradient refractive index, GRIN)硫系玻璃的共光路、共焦面双波段红外光学系统，在非制冷型中/短波红外成像光学系统中首次实现了胶合透镜的设计，与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了40%，长度减少了30%，透过率提高了15%；在制冷型中/长波红外光学系统中，具有不同折射率差值Δn的GRIN硫系玻璃展现出卓越的色差校正能力，与基于传统红外材料的双波段红外光学系统相比较，光学系统质量减轻了20%，长度减少了20%，透过率提高了18%。设计结果表明，新型硫系玻璃的出现，是对现有红外材料的有益补充，为新一代红外成像光学系统提供了更为丰富的材料选择和更多的设计自由度，是实现轻薄化透射式红外光学系统的重要技术途径。

针对宽波段、大视场机载光学系统的设计需求，采用二次成像光路形式和XY多项式自由曲面，研制了一套基于640×512@24 μm长波红外制冷型探测器的离轴三反光学系统。相比传统离轴三反光学系统，该系统解决了制冷型探测器冷光阑匹配问题和子午视场较小的设计难点，具有宽波段、大视场、透过率高、体积紧凑、无中心遮拦、无热化等技术优点。光学系统焦距160 mm，工作波段8~12 μm，F数2，视场5.5°×4.4°，主镜和次镜均为二次曲面，三镜为XY多项式自由曲面。光学系统波前测试结果表明，系统波像差全视场平均值0.067λ（λ=9.11 μm），具有较好的成像质量。