红外探测因其重要的军事用途在其诞生之后就得到了极大的重视，而美国第一代红外探测系统在导弹上的成功应用更刺激了世界上其他国家对红外探测系统投入巨大资金进行研究，红外探测技术由此走上了快速发展通道。随着红外探测技术日益广泛的应用，对红外探测系统提出了轻小化和实现多光谱探测的要求。衍射元件具有独特的色散特性，应用在光学系统设计中，能减轻系统的重量和减小系统的体积。但是普通衍射元件由于衍射效率随着波长的变化而变化，只适用在窄光谱成像。双层衍射元件利用两种具有不同色散特性的基底材料组合，增加了相位分布函数中的可变因子，可使得整个波段内各波长光波的等效相位调制等于或接近2π，从而提高整个设计波段的衍射效率。　　 谐衍射元件的不同谐振波长具有相同的焦距和衍射效率，与折射元件一起构成的成像系统能实现双波段探测。　　 传统目视头盔光学系统为满足其高分辨率、大视场要求，系统结构大多复杂，难以轻小化。投影式头盔光学系统与传统头盔光学系统有根本上的区别，它基于投影物镜和逆反射屏，能在保持系统高性能的同时实现体积更小和重量更轻。特别是二元衍射光学元件应用到投影式头盔光学系统中，有效地简化了系统结构、减轻了重量，缩小了体积。　　 本文基于以上讨论，主要做了以下工作：　　 1.利用谐衍射元件谐振波长共焦距的特点，研究了含有谐衍射元件的Petzval型物镜。该物镜可工作在3.4-4.2μm和8-11μm，实现红外双波段探测。结构尺寸为116.7 mm×61.8 mm，重量为130g，达到了规定的参数要求。　　 2.研究了含有双层衍射元件的反摄远型物镜和Petzval型物镜。两款物镜在工作波段内衍射效率变化小于1％，提高了能量利用率。反摄远型物镜结构尺寸为154.3mm×52.6mm，重量为123g，Petzval型物镜结构尺寸为125.5 mm×61.8 mm，重量为143g，满足红外系统的便携式要求。其中，反摄远型物镜具有91mm的较大后工作空间，此空间可以用来安装温度补偿机构。　　 3.研究了含有双层衍射元件的消热差光学系统。系统的有效焦距为115.0mm，在-40℃-100℃温度变化范围内，系统焦距的变化最大值为75.2μm，小于系统的焦深80.0μm，并且其调制传递函数值在12.51p/mm处，中心视场0.58以上，边缘视场0.30以上，成像质量稳定。该系统总的尺寸为165.1mm×88.0mm，各透镜尺寸均在可加工范围。　　 4.研究了含有双层衍射元件的折/衍混合投影式头盔用物镜。系统结构尺寸41.1mm×18.1mm，重量为5.7g，各透镜尺寸满足最小加工尺寸要求。系统出瞳直径为8.0mm，达到头盔系统要求的最小出瞳直径要求。调制传递函数在291p/mm时，边缘视场达到0.28，中心视场达到0.70，满足1.1英寸彩色LCD微显示器的SXGA显示模式。