本文以现代红外光学系统的消热差设计为基本出发点,结合现代军事和空间探测的发展要求,对红外光学系统设计进行了研究。主要完成了以下几个方面的工作:(1)折射红外光学系统的消热差设计。回顾了折射红外光学系统的热特性,分析了温度对红外光学系统的影响,重点研究了单波段红外折射光学系统的消热差设计:完成了中波波段的密接双透镜及密接三透镜的消热差设计;完成了长波波段的密接双透镜及密接三透镜的消热差设计;完成了Petzval型红外光学系统的超常温消热差设计。(2)折/衍混合红外光学系统的消热差设计。研究了衍射光学元件的成像特性,主要分析了衍射元件的位相分布、光焦度等特性;详细描述了衍射元件的色散特性和部分色散特性;详细讨论了衍射元件独特的热特性。设计了折/衍混合红外光学系统的超常温复消色差系统,该系统在整个超宽温度范围内,成像质量稳定,基本达到了衍射极限;系统轴向像差得到了很好地校正,二级光谱也得到了较好地校正,实现了系统的复消色差;系统质量整体良好,充分体现了衍射元件在校正系统热差、色差和二级光谱等方面的优越性。(3)共焦双波段红外光学系统的消热差设计。讨论了折射双波段红外光学系统的设计方法,并给出了设计实例;研究了谐衍射/折射混合双波段红外光学系统设计方法。主要研究了谐衍射元件成像理论、温度特性、色散特性以及衍射效率等;完成了谐衍射/折射混合双波段的超常温设计。从结果看,该系统成像质量达到了衍射极限,成像质量稳定,体现了谐衍射元件消色差和消热差等性能。(4)离轴三反射镜光学系统研究。介绍了两种初始结构参量确定的方法,在对传统的确定初始结构参量的方法分析中,给出了各结构类型的轮廓结构参量的取值范围;对离轴方法进行了研究,结合中间不成实像系统,分别完成了三个离轴三反射镜光学系统设计实例。从评价结果来看,在可见光波段,像质接近衍射极限,在红外波段成像质量基本达到了衍射极限,充分说明了离轴三反射光学系统具备从可见光到红外多波段工作的能力。