红外技术因其被动工作、全天时、不易受干扰等优点,在军事、遥感、工业和医学等领域得到了广泛的应用。在红外成像领域,应用最为广泛的两个大气窗口波段,一个是中波波段3～5μm,另一个是长波波段8～12μm。这两个波段相比较拥有不同的优势和局限。随着新一代双色/多色红外探测器技术的发展,多波段成像的使用变得越来越广泛,为了成功应用新一代探测器,必须设计出能够同时具备多波段成像能力的光学系统。中波/长波双色红外光学系统可选择的材料数量较单色红外系统明显减少,材料的色散特性在不同波段又变化明显,色差校正是双色光学系统设计面临的主要难题。航空机载约束条件,如体积小、重量轻、力热环境苛刻等,又对长焦距、大口径、高分辨率的红外成像设备提出了更高的要求,增加了光学系统设计难度。针对多波段红外光学系统设计的迫切需求,本文对机载中波/长波双色红外光学系统的部分关键技术进行了研究,提出了光学材料优选的方法,提出了能够使面阵步进凝视成像系统反射镜运动过程中所有像点保持不变的非旋转对称视场投影关系,完成双色红外探测系统设计和机载大口径长焦距中波/长波双色红外光学系统设计和研制工作。论文主要的研究内容和贡献如下:针对可选材料少、宽波段色差校正困难的难题,创新地提出了针对双色红外光学系统材料优选的计算评价模型,其评价项包括绝对光焦度和设计谱段内多个波长下的平均离焦两项。利用该模型对可选的材料组合进行评价,可以快速高效地获得最佳材料组合和元件初始光焦度分配。通过分析评价,适用于中波/长波双色红外光学系统最佳的两片透镜材料组合为ZnS/IG2,最佳的三片透镜材料组合为Ge/ZnS/GASIR1。通过对组合的详细设计分析验证了该评价方法的有效性。最佳组合可作为透镜组元,为实际光学系统设计提供良好起点。针对双色红外探测系统轻小型、大相对孔径、低自身辐射的要求,采用折反射式光学系统结构形式,设计了一个工作波段为3.7～4.8μm和7.7～9.5μm,焦距为150mm,F数为2的红外成像系统。通过设计优化,获得的设计结果在奈奎斯特空间频率33.31p/mm处各视场调制传递函数均接近衍射极限,轴向色差和垂轴色差均得到较好的抑制,冷阑匹配达到100%,光学系统自身等效黑体温度仅为 233K。针对面阵步进凝视成像系统中反射镜运动产生像点漂移的问题,创新地提出了能够使所有像点保持不变的非旋转对称视场投影关系。首先,建立了物空间和像空间的非旋转对称视场投影数学模型;其次,进行了中波红外面阵步进凝视成像系统设计,通过在无焦光路的场镜上采用自由曲面产生失真的像差来实现非旋转对称的视场投影,分析快反镜运动过程中各视场点的漂移情况。通过比较分析,说明了该方法的有效性。利用该方法可以提高机载面阵扫描所获图像的信噪比。设计完成一个机载大口径长焦距中波/长波双色红外光学系统。探测器为斯特林制冷型320×256双色红外焦平面阵列,像元尺寸30μm×30μm。采用折反射式成像系统,配合平面反射镜环绕折叠的方式,大幅减小了红外光学系统的外形尺寸及重量。采用高陡度快焦比非球面光学设计来压缩光学系统体积。轴向色差和垂轴色差均得到较好的校正,中波波段和长波波段的调制传递函数均接近或达到衍射极限。该光学系统口径达到220mm,焦距880mm。为实现产品的快速生产制造和低成本,主镜和次镜基底为铝合金材料,通过单点金刚石车削的手段完成光学加工。外场观测试验对装置在静态和动态下的图像进行了测试,图像质量优异。