机载航空相机在国防安全、水文探测等方面发挥着重要作用,因其具有时效性强、精度可靠、成本低廉等优势,在地面目标搜索与定位方面作用突出。传统机载光学系统依靠数量较多的光学透镜校正像差,衍射元件因其具有特殊色散和热差特性,通过将衍射光学引入到光学系统设计当中,可以实现机载相机轻量化和消热差等指标要求。本文首先对折衍混合技术的发展历史及国内外的研究进展进行介绍,并且基于标量衍射光学理论,分析了衍射成像的技术优势与衍射元件的初级像差性质,研究了影响光学系统衍射效率的变量因素,包括微台阶数量、光谱波段、加工误差、光线入射角、高低温环境等,对比单层衍射元件、谐衍射元件和多层衍射元件的区别,采用MATLAB拟合得出不同元件的适用波段范围及其衍射效率的相关特性。其次针对光学系统的无热化设计方法,重点分析基于折衍混合成像的光学被动无热化原理,对比该技术与其他三种无热化技术的优缺点。基于此设计三分离式中波红外仿真系统,依据光学被动无热化理论建立两种无热材料T-C图,结合初始结构光焦度的分配原则设计两种无热化仿真系统,研究不同结构的环境温度适应性,证明衍射技术应用于光学系统无热化设计的可行性。最后结合实际应用需求确定了本文光学系统的设计指标,计算系统设计的关键参数,进行了光学系统的初步选型与结构计算,求解该光学系统在远距离探测条件下的信噪比和最小可分辨温差。具体的设计方案分为以下两部分:(1)方案一的结构形式为共口径分光路系统,引入二向色镜进行红外双波段光谱分光,结合无热T-C图和消热差理论建立初始系统,尝试在各分光路系统中引入单层衍射元件进行轻量化改进,在此基础上分别进行系统无热化仿真与优化,在保证衍射效率的前提下,改进后的系统校正镜组质量减轻约30%,各项指标达到设计要求。(2)方案二的结构形式为共口径共光路系统,引入双层衍射光学元件展开设计,分析光学系统衍射面的基底材料、高低温环境、光学波段、入射角等因素对衍射效率的影响,依据衍射理论求出材料组合的最优解,经MATLAB拟合分析可知在入射角为3°以内,双层衍射元件采用IRG26和ZNS组合可实现高达98%以上的衍射效率,基于此建立共光路系统的初始结构,结合软件优化进一步实现该系统的无热化设计,借助宏程序分析二次鬼像及冷反射能量的分布情况,提出对应的优化改进措施,抑制系统的杂光效应。