为解决仿生复眼系统目前普遍存在的空间利用率较低、子眼孔径较小问题，本文提出一种六边形环带排布的大孔径复眼系统设计方法，通过引入填充因子理论，以传统曲面圆周式排布为对照组，论证了六边形环带排布模型可有效提高大孔径复眼系统的空间利用率。针对单波段复眼系统获取目标信息量有限的问题，设计采用红外双波段共光路的成像结构形式，辅以红外双色探测器接收，增强了复眼系统获取目标信息的多维度能力，同时建立了六边形环带排布方式的子孔径定位数学模型。仿生复眼系统共由91个子孔径组成，子孔径入瞳为16 mm，焦距为48 mm，视场角为9°，子孔径合成总视场为96°×85°，中继转像系统焦距为6.14 mm，子眼系统和中继转像系统在−40 °C~+60 °C温度变化范围内无热差影响，探测器冷反射效应可忽略。对复眼系统进行组合，仿真结果表明：各个光学子通道均方根（RMS）半径均小于艾里斑，光学畸变值均小于0.1%，边缘子通道红外中波/长波波段调制传递函数（MTF）在17 lp/mm处均达到0.5以上。该系统结构紧凑、探测能力强，可用于复杂环境中多目标的探测与识别。

针对中长波红外双波段系统的元件数量多、结构复杂等问题，分析了环形孔径超薄成像系统的结构特点，给出了系统初始结构遮拦比的计算方法，并设计了一种适用于中长波红外双波段的共光路环形孔径超薄成像系统，焦距为50 mm、全视场为14°、F数为1。系统仅由单一光学元件构成，结构简单且光路紧凑，其轴向尺寸与焦距的比值为0.48。在空间频率20 lp/mm处，中波红外3~5 μm波段的全视场调制传递函数大于0.45，长波红外8~10 μm波段的全视场调制传递函数大于0.30，同时实现了−40~80 ℃温度范围内的红外双波段无热化。通过公差分析可知该系统具备可加工性，且基底材料为红外硫系玻璃，可以通过精密模压的方法进行批量化生产。该研究为低成本、小型化红外双波段系统的实现提供了新的思路。

建立了不同类型衍射元件对衍射效率的影响模型，比较了单层衍射元件、谐衍射元件和双层衍射元件之间衍射效率的差异，重点分析在红外双波段光学系统中应用双层衍射元件的突出优势，计算不同材料组合情况下双层元件的平均衍射效率，以此为基础设计一款适合于高空机载平台的折衍混合红外双波段双视场光学系统。大视场对应的地物分辨率为1.5 m@16 km，长焦、短焦分别为960 mm和480 mm，通过切换反射镜改变光路来实现变焦功能，保证变焦过程中系统的光轴稳定性。仿真结果表明在−40~60 ℃的大温差环境下，系统的MTF曲线平滑且接近衍射极限，RMS半径位于艾里斑半径以内，二元衍射面的最小特征尺寸为6.9 μm，设计结果满足工程使用要求。