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

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

　　折射式低溫光學系統(tǒng)的優(yōu)點是尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，缺點是不能保證所有材料相同，不同材料（包括光學鏡片和鏡框的材料）在冷卻時熱膨脹系數(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，這會導致安裝難度的增加。低溫光學系統(tǒng)冷卻后需要使光學裝調(diào)能夠正常進行，并且需要同時滿足光學設計公差。對于含有折射元件的低溫光學系統(tǒng)，光學設計給出的光學鏡片的曲率半徑、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光學設計軟件的多重結(jié)構(gòu)功能選項直接得到，而元件間隔只能手動計算，這是因為鏡片的移動不是按順序依次進行的，所以光學設計軟件給出的結(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。

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