为满足红外光学系统高环境适应性和高灵敏度的发展要求,采用折/衍混合结构改进红外3.2～4.2 μm波段,F/#为1.5,视场角为±2.5°的Si Ge四片式佩茨瓦尔(Petzval)物镜,实现了-60～160 ℃超宽温度范围的光学被动式消热差设计.改进系统并保持原系统光学性能参数,在空间频率20 lp/mm处,光学传递函数(MTF)保持在0.78以上,接近衍射极限,成像质量高而稳定.该系统可用于像元尺寸大于25 μm的非制冷凝视式焦平面阵列探测器.

提出采用广义变焦系统设计概念来实现可见光折射系统无热化设计．设计了常温下满足成像质量要求的消色差的良好光学系统，在工作温度范围内建立多个变焦位置，通过合理改变部分材料，满足宽工作温度范围内像质均良好的要求．利用该方法设计出工作于0．43～0．75μm波段，焦距为780mm，F数为5．6，视场为5．3°的航空CCD相机光学系统．系统在-40℃～＋60℃之间成像均保持良好，调制传递函数下降5％．

用投影无热差图和双层衍射元件选玻璃的原则，选择了适用红外双波段消热差、消色差的玻璃组合．为提高衍射效率，基于双层衍射元件衍射效率表达式研究了双层谐衍射元件的结构优化，给出了优化方法．利用双层谐衍射元件设计的折衍混合双波段光学系统视场角10°，F#为2，有效焦距115mm．系统在3．4～4．2um和8～11um两个工作波段的衍射效率均达到90％以上；-40～100℃温度范围内，中心视场的调制传递函数值变化最大为0．09、边缘视场的调制传递函数值变化最大为0．13．

为满足低成本空间热成像系统重量轻、适应环境温度范围宽的要求，研制了消热差的大相对孔径中波红外望远物镜，其焦距为100mm，F数为1，全视场角为5°。物镜设计采用了匹兹伐结构型式，仅由两块硅（Si）透镜和一块锗（Ge）的折／衍混合透镜组成，能够实现～20～＋60℃环境温度变化范围内光学被动消热差。对实际加工的红外物镜进行了性能测试，在一定温度变化范围内，特征频率处的MTF的数值均大于0．75，其变化值小于0．05，表明研制的物镜能够保持稳定的良好成像质量，具有好的消热差性能。由所研制的物镜和非制冷探测器构成的成像系统具有相对孔径大、适用环境温度范围宽、结构紧凑、成像性能粥的优点，适合于作为低成本微小卫星的有效载荷。