研制低溫光學(xué)系統(tǒng)合理的途徑是在室溫下制造、檢驗(yàn)合格，而使它在低溫下工作時(shí)仍能保證其令人滿意的成像質(zhì)量。所以，低溫光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)在很大溫度范圍內(nèi)能正常工作，并且維持衍射極限成像的特殊光學(xué)系統(tǒng)。低溫光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須遵循無熱效應(yīng)的設(shè)計(jì)原則，低溫光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)型可以分為全反射式光學(xué)系統(tǒng)和折射式光學(xué)系統(tǒng)兩種類型。

　　全反射式低溫光學(xué)系統(tǒng)能在寬波段內(nèi)消除色差，獲得衍射極限的成像質(zhì)量，并且全部的光學(xué)元件用相同的材料制成，低溫制冷后能夠在常溫下進(jìn)行光學(xué)裝調(diào)。全反射光學(xué)系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是光線不進(jìn)入光學(xué)元件內(nèi)部，因此能夠有效避免材料內(nèi)部的光學(xué)特性在溫度變化較大時(shí)的檢測(cè)與控制問題。全反射式光學(xué)系統(tǒng)在降溫處理過程中的關(guān)鍵是找準(zhǔn)系統(tǒng)熱致伸縮的基點(diǎn)/基面。為保證反射鏡鏡面冷卻后的面型精度，需要機(jī)械設(shè)計(jì)人員著重設(shè)計(jì)反射鏡與冷板相連接的部位。全反射式光學(xué)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是通常只能采用離軸形式，因此設(shè)備尺寸相對(duì)較大，裝調(diào)困難，故僅適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的低溫光學(xué)系統(tǒng)。

　　折射式低溫光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不能保證所有材料相同，不同材料（包括光學(xué)鏡片和鏡框的材料）在冷卻時(shí)熱膨脹系數(shù)不同，而且不能用傳統(tǒng)安裝方法來安裝透鏡，必須采用柔性支撐，這會(huì)導(dǎo)致安裝難度的增加。低溫光學(xué)系統(tǒng)冷卻后需要使光學(xué)裝調(diào)能夠正常進(jìn)行，并且需要同時(shí)滿足光學(xué)設(shè)計(jì)公差。對(duì)于含有折射元件的低溫光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)設(shè)計(jì)給出的光學(xué)鏡片的曲率半徑、鏡片中心厚度以及元件間隔等參數(shù)在加工裝調(diào)時(shí)需換算到室溫條件下的參數(shù)。換算后的曲率半徑和鏡片中心厚度值可以由ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的多重結(jié)構(gòu)功能選項(xiàng)直接得到，而元件間隔只能手動(dòng)計(jì)算，這是因?yàn)殓R片的移動(dòng)不是按順序依次進(jìn)行的，所以光學(xué)設(shè)計(jì)軟件給出的結(jié)果往往有偏差，而且系統(tǒng)熱致伸縮的基點(diǎn)或基面需要視杜瓦結(jié)構(gòu)和制冷方案等具體情況而定。

　　紅外低溫光學(xué)在天文望遠(yuǎn)鏡、紅外相機(jī)等方面都得到了廣泛應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)在經(jīng)過制冷以后，產(chǎn)生的輻射亮度降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，大大降低了系統(tǒng)內(nèi)部熱輻射和探測(cè)器背景噪聲，有效提高了系統(tǒng)的探測(cè)能力以及光學(xué)系統(tǒng)信噪比。