红外双波段成像系统可以获得两个不同波段的目标信息,具有较强的环境抗干扰能力,从而有效提高目标的探测率和识别率。由于同时透过红外双波段的材料种类十分有限,目前的红外双波段成像系统很难兼顾成像质量和系统结构,导致红外双波段成像系统的尺寸较大,无法应用于对尺寸及重量有严格限制的情况。相比于传统系统结构,环形孔径超薄元件各个反射面加工在同一基底材料的前后表面,仅通过单一光学元件实现高质量成像。本文基于环形孔径超薄系统的特点,设计了工作在中长波红外双波段的超薄成像系统,并通过引入多层衍射光学元件,扩展了系统的波段范围。具体的研究内容如下:本文分析了环形孔径超薄成像系统的结构特点,推导了系统初始结构遮拦比的计算方法,并通过该方法给出了中长波红外双波段成像系统的初始结构。基于该初始结构,通过合理调整各个反射镜的位置及光焦度,实现了焦距为50mm,F数为1的中长波红外双波段环形孔径超薄成像系统的设计。系统的轴向长度为24mm,总长与焦距的比值为0.48。在空间频率20 lp/mm处,中波红外3.7～4.8μm波段的MTF大于0.62,长波红外7.7～9.5μm波段的MTF大于0.35。此外,该系统在-40℃～80℃的宽温度范围内实现热稳定,且具备可加工性。为了进一步扩宽系统的波长范围,本文针对超薄成像系统特殊的光路结构,提出了多层衍射元件的微结构设计方法,将衍射光学理论应用于中长波红外双波段超薄成像系统中,给出了一种含有多层衍射元件的超薄成像系统结构。该混合光学系统的焦距为50mm,F数为1,轴向长度为25mm,系统总长与焦距的比值为0.5。在空间频率20 lp/mm处,中波红外3～5μm波段的MTF大于0.60,长波红外8～12μm波段的MTF大于0.26。结果表明多层衍射光学元件不仅可以校正中长波红外宽波段色差,还实现了折衍射混合红外双波段系统的热稳定。本文的研究为小型化红外双波段系统的实现提供了新的思路。