分析了不同F数下的冷屏高度与焦平面响应率非均匀性的关系，在冷屏高度增加的不同阶段，不同F数的冷屏通光孔径带来的杂散辐射影响不同，焦平面均匀性出现增加、减小或不变等情况，在保证焦平面最大响应梯度不超过25%以及冷屏最大温差不超过5 K的情况下，通过曲线确定冷屏高度。同时基于点源透过率（PST）的仿真结果，对4种外观结构的冷屏分别在F1.2~F5.5下的杂散光抑制效果进行分析，进一步得到每种冷屏结构在不同F数下的适用情况。提出3种冷屏排气孔结构优化方案，优化后的排气孔结构焦平面接收的探测器内部热辐射功率较优化前减小了约87%。

为了研究不同形状的防辐射屏自发辐射对探测器的影响并找出影响最小的防辐射屏形状, 采用理论计算对抛物面、双曲面、半椭球面(含半球面)、台柱面(含圆柱面和圆椎面)的防辐射屏内屏自发辐射至探测器的功率进行了系统分析。结果表明, 各种形状防辐射屏自发辐射至探测器的功率随防辐射屏高度与底面半径比值的增大而先减小再增大, 其中最大值为与探测器尺寸相关的常数, 最小值出现在防辐射屏高度与底面半径接近或相等时; 当防辐射屏为半椭球面且高度和底面半径相等(即半球面)时, 自发辐射至探测器的功率小于其它任何形状的防辐射屏, 且与防辐射屏尺寸及顶部开小孔与否无关。本研究能为防辐射屏结构设计提供有价值的参考。

针对目前红外探测器冷屏的传统设计方案中隔板数量多、装配工艺难度大等问题, 提出了一种简化的红外探测器冷屏设计方法。该方法减少了冷屏隔板数量, 降低了冷头热质量, 减少了空间对冷屏设计的限制。由于该方法忽略了窗座的热辐射, 为了验证其可行性, 分别采用传统方案和简化方案设计了某中波红外探测器的两种冷屏结构, 并利用LightTools软件仿真了这两种结构中窗座热辐射对红外探测器的影响以及冷屏对视场外光线的抑制效率。仿真结果表明, 当探测器工作的环境温度为344 K时, 窗座热辐射在红外探测器上引起的噪声差异不超过03 mV。此差异相较于信号强度可以忽略不计, 且两种冷屏对视场外光线的抑制效率仅相差02%, 验证了本文设计方法的可行性。

制冷型红外探测器的冷屏通常采用直角结构挡光环。经过挡光环侧壁反射的杂散光可以直接到达焦平面，导致探测器的成像质量大幅下降。通过对冷屏挡光环结构进行理论分析，提出了一种可抑制杂散光的挡光环侧壁优化结构。利用LightTools软件对优化前后的冷屏进行了模拟分析。结果显示，杂散光的总功率减少了71.6%。通过实验验证发现，探测器的平均响应非均匀性减少了27.1%，成像效果明显改善。结果表明，这种挡光环侧壁优化结构对于抑制杂散光非常有效。

结合红外探测器的光学性能设计，介绍了利用冷屏黑化层工艺来吸收和抑制杂散辐射的原理。基于同一种冷屏结构，对比了三种不同的表面黑化工艺，并测试分析了冷屏黑化层的表面吸收率等物理性能参数。通过红外探测器性能测试，分析了不同冷屏黑化工艺对红外探测器性能的实际影响。结果表明，在2～14m波段，2#和3#冷屏黑化工艺的表面吸收率的一致性较好；在8～11m波段，它们对红外探测器的杂散辐射具有良好的吸收与抑制效果。

一次成像的简化式红外光学系统冷屏与出瞳不能匹配，致使系统受到杂散光干扰。在此情况下，对冷屏的开孔形状进行合理优化设计对杂散光的抑制十分必要。利用数学中的最优化计算来解决冷屏形状的优化问题，建立了优化变量和优化目标函数的数学模型，提出了全局优化和局部优化相结合的方法，分别用区间穷举法和阻尼最小二乘法完成，以得到较优的冷屏开孔形状。利用本方法，对一个现有的简化式热像光学系统设计了冷屏开孔形状，解决了该系统中由冷屏与出瞳不匹配造成的杂散光干扰的问题，从而验证了提出的冷屏优化设计方法的正确性与实用性。

对比了典型消热差方法的优劣，探讨光学被动式消热差的基本理论。在此基础上，根据系统要求的温度范围-60℃～90℃，在常温初始结构的基础上，利用Zemax软件的多重结构和自动热分析功能增加其他温度结构，运用光学被动式消热差方法进行热平衡和像差平衡，最终设计出一套中波制冷型消热差光学系统。光学设计时以探测器冷阑作为系统孔径光阑，实现了100%冷阑匹配。结构材料使用铝，光学材料为硅、锗和硒化锌,将它们组合消热差。系统在-60℃～90℃温度范围内，最大离焦量小于1倍焦深，空间分辨率17 lp/mm处，光学调制传递函数(MTF)值均大于0.74，接近衍射极限，点列图弥散斑均未超出单像元尺寸范围。

在红外系统中，冷屏的开孔形状直接影响着它对杂散光的抑制效能。利用光度无效性来评价冷屏形状抑制红外系统杂光的能力，提出了利用叠加积分精确计算任意形状冷屏的光度无效性的新思路和算法，建立了数学模型，通过对一个典型288×4热像系统的实例计算，与光线统计法的运算结果进行比较，结果相一致，且与光线统计法精度相同的情况下，具有运算速度快的优势。

采用光学被动式无热化设计方法，给出了针对长波红外制冷型光学系统的一个设计实例。该系统采用了 576元线列探测器，相比于以往 288元线列探测器而言，在相对孔径、焦距等参数不变的条件下，视场扩大了一倍。该系统 F数为 1.6，焦距 100 mm，视场 9.2°，实现了 100%的冷光阑匹配。设计结果表明，该系统在－50℃～＋90℃的宽温度范围内，像质接近衍射限，无须任何调焦，无热化性能良好。