红外探测是最重要的遥感手段之一,在军事、气象、资源、环境减灾、天文等各个领域获得了广泛应用。随着技术的发展,人们在红外天文观测、高分辨率红外对地观测、微弱目标探测等多个领域的应用中,对红外遥感仪器提出了更高灵敏度的探测需求。低温光学系统可以充分地降低仪器自身背景,有效地提高红外系统的探测灵敏度,对满足上述应用需求有极大的意义。本文主要结合我国当前的中短波红外天文观测需求和相关技术发展水平,开展针对未来空间应用的红外低温光学系统的设计、装调和低温测试技术研究。论文根据空间红外系统的基本结构特征,对红外系统自身背景辐射进行了分析研究,建立了相应的计算模型。分析了红外天文观测和对地观测对背景辐射控制需求的差异,并结合红外系统信噪比计算模型分析了背景辐射对红外系统探测灵敏度的影响,讨论了抑制背景辐射的方法。论文针对空间多环芳香烃(PAH)巡天探测对红外望远镜的技术要求,开展了大口径低温光学系统的设计研究。采用常温初始设计—低温优化—常温补偿实现的技术路线,从光学结构选型、材料选择、低温参数计算、离焦补偿等方面,对100K温区红外望远镜进行了设计分析。论文开展了适应低温应用的望远镜支撑结构设计研究。采用不同材料组合利用尺寸链计算匹配法进行无热化设计;采用交叉柔性铰链设计实现低温望远镜的消热差支撑结构,利用基于多目标遗传算法优化的响应面法对柔性支撑结构进行优化设计。论文开展了低温光学系统的装调和低温测试技术研究。分别开展了元件、组件和系统级的低温测试研究。首次开展国产碳化硅反射镜的低温应用研究。开展了碳化硅制备工艺和热控工艺对系统低温性能的影响测试研究;仿真分析了温度非均匀性对反射镜面型和系统波像差的影响。论文在上述几个方面的研究成果的基础上,在国内首次完成了100-150K温区Φ300mm大口径低温碳化硅望远镜的研制。装调和低温测试结果表明,望远镜在130K温度下的系统波像差优于133nm,在2μm以上达到衍射极限。这些工作将为未来空间天文望远镜的研究打下比较好的基础。