降低红外探测光学系统的温度，可减少系统内部热辐射，降低探测器背景噪声，有效提高系统探测能力和灵敏度。随着现代红外探测技术的发展，要求红外探测系统的工作温度更低，同时也对探测系统提出了多波段探测的要求，为低温光学的研究提出了在系统内建立多级温区的要求。　　 我国研制成功的低温光学系统，利用液氮致冷，温度限于氮点以上，具单一温区。因此，本文对更低温度下的两级温区低温光学系统进行了设计、分析和检测。研究氦气压缩式致冷在低温光学中的应用，为其提供一种新的低温解决方案，根据传热学理论对系统的低温绝热进行详细的设计与分析，利用分级致冷、单独控温实现系统内两个温区的建立，采用有限元法对系统在低温下的结构与热力学性能进行系统级的全面分析，在对集成分析的数据接口进行了探讨和研究后，将有限元分析结果经过处理输入光学分析软件进行光学集成分析，对整个低温光学系统的低温性能进行综合评价、优化设计，最终根据设计与分析结果，建立了一套实验低温光学系统，对其低温结构、热、光学性能进行了检测与分析。　　 低温实验结果表明，论文设计的两级温区低温光学系统，其一级温区低温可达80～100K，二级温区低温可达40～80K，控温精度分别在±1K和±0.5K以内，温区内温度均匀性良好，低温下光学系统视轴仅变化了48.6"，低温下系统成像质量(干涉图PV)只从常温的1.65λ变到了1.52λ，保持了衍射极限的成像质量。该系统在红外探测时具有更低的温度和两级温区进行探测的低温条件，将有效提高系统探测能力和灵敏度，为红外目标的双波段探测奠定良好的基础。