本文提出了一种离轴超构透镜的设计方法，并分析了不同数值孔径、离轴角度等参数对于离轴超构透镜的光谱分辨率、聚焦效率以及仿真结果的影响。利用Lumerical软件分别仿真了参数为NA=0.408、 α=13°；NA=0.180、α=13°及NA=0.408 α=20°等多个离轴超构透镜。仿真结果表明：离轴角度与光谱分辨率大小成正相关，离轴角度越大，光谱分辨能力越强，但聚焦效率越低；数值孔径越小，相位分布的覆盖范围越小，会导致仿真聚焦位置与理论值偏差变大。设计者需要根据需求合理平衡数值孔径、离轴角度等参数，最终实现理想效果。本文得出的结论对离轴超构透镜的理论分析和实际应用中的参数设计具有重要参考价值。

甚宽视场相机作为高分六号卫星的核心载荷，具备65.6°视场、862 km超大幅宽和8谱段成像能力。针对其自由曲面离轴四反光学系统的结构特点和任务需求，采用复合型多层隔热组件进行热隔离、高导热率石墨膜进行热疏导及分级热控等措施进行了热控设计，实现了光机结构的精密控温和高热耗/热流密度电子学设备的高效散热，并利用有限元分析软件UG12.0/Space thermal仿真分析了相机高、低温工况下的温度；通过对比热分析、热试验及卫星在轨遥测温度数据，验证了该热控方案的实际效果。在轨遥测数据显示：光机结构在轨温度水平为19.7~20.3 ℃，温度梯度最大不超过0.4 ℃，CMOS焦面组件每轨摄像12 min的情况下，温度波动在19~24 ℃，均满足热控指标要求，遥测数据与热分析及热试验结果偏差小于±0.5 ℃。表明该相机热设计正确可行，热分析及热试验过程合理可靠。

宽视场光学成像系统可以增大光学遥感器观测范围、提高探测效率。近年来，基于自由曲面的光学系统设计和制造取得了重大进展，为设计大视场、大相对孔径、高分辨率、高成像质量、无遮挡离轴反射系统提供了可能性。首先，分析了大视场离轴反射系统的像差特性，指出当不断增加系统视场角，尤其是子午方向视场角时，与视场相关的非对称高级像差量将剧烈增加；像场连续性要求更加凸显。接着，提出了一种二维大视场长焦距离轴光学系统设计方法：在常规光学系统初始结构基础上，采用多重结构形式，使子午方向视场角离散化，光学系统特定曲面分解为两个子曲面；并构建系统约束条件，通过约束系统外形尺寸、优化系统结构形式进而完成系统优化设计。最后，基于提出的方法，设计了一款焦距为1 000 mm，像方F数为10，视场角为40°×16°的自由曲面离轴四反光学系统。设计结果表明：该系统全视场范围内成像质量较好，50 lp/mm的特征频率下，400~750 nm可见光波段内光学调制传递函数优于0.26，证明该方法切实有效。

为了实现用于深空低冷目标探测的长波红外折反射式光学系统的进一步轻小型、低辐射和大视场，对局部制冷光学系统、拓扑优化金属基反射镜设计、增材制造、金属基光学加工与表面改性等进行研究。首先，设计完成了紧凑型局部制冷折反射式光学系统，口径为55 mm，焦距为110 mm，视场达到4°×4°；其次，利用拓扑优化理论，设计完成了主镜组件、次镜组件和连接筒，三阶和四阶模态达到1213.7 Hz；接着，采用增材制造、单点金刚石车削、表面改性、表面镀金等手段完成前组光学元件的研制，利用定心装配工艺完成光机装调；最后，对光机装调后的系统性能进行了测试。测试结果表明：光学系统全视场范围内调制传递函数均达到衍射极限，重量仅为96.04 g。金属基增材制造方法可以作为提升光学系统性能的有效手段。

针对用于地球静止轨道卫星的遥感面阵快照式成像光谱仪传输数据量过大引起的数据传输困难、信号采集处理时间长的问题，利用地球静止轨道平台可以长期驻留固定区域上空的特点，提出采用压缩感知的大口径宽谱段快照式光谱仪方案，对其光学系统结构进行设计，并对相关参数进行了计算。物镜采用同轴三反式无焦系统，用分色片对系统分光，经过对各系统进行优化处理，最终获得了幅宽为400 km×400 km，可见光地面像元分辨率为50 m、中波红外地面像元分辨率为400 m、长波红外地面像元分辨率为625 m的光学系统。该设计中，可见光路在78.125 lp/mm的MTF高于0.455，中波红外的光谱分辨率为光路在33.3 lp/mm处的MTF高于0.518，长波红外光路在20.8 lp/mm处的MTF高于0.498；可见光光谱分辨率为20 nm、中波红外的光谱分辨率为50 nm、长波红外的光谱分辨率为150 nm；可见光路二级光谱小于0.05 mm，设计结果具有良好的成像质量，各部分光学系统成像质量接近衍射极限，设计结果满足应用和指标需求。

使用单像素探测器实现成像需要大量采样。对于目标区域仅占场景一部分的情况时，我们提出了自适应Radon单像素成像方法，能够使用单像素探测器实现目标区域的定位和成像。本文对该方法的目标定位方式、编码采样算法、重建算法等进行研究，以减少单像素成像的采样数量。基于Radon变换的基本原理，使用图像在水平和垂直方向的投影信息，以获取场景中目标区域的大小和位置。建立自适应Radon-Hadamard单像素成像模型，仅对目标区域进行单像素采样，然后使用滤波反投影技术重建目标区域。研究结果表明：所提出的自适应Radon单像素成像方法能够实现对场景中目标区域的成像，采样数量远低于重建图像的分辨率，重建图像的结构相似性系数大于95%，有效的提高了单像素成像方法的成像效率。

为了实现对远距离民航飞机目标的探测、跟踪和测距，设计并研制了一套单光子激光与中波红外共口径探测光学系统。阐述了激光/红外共口径探测系统的工作原理和单光子激光测距原理，对目标辐射特性、系统作用距离及口径等进行了分析。采用R-C光学系统型式，通过次镜进行分色，实现激光和中波红外双波段光学系统的汇聚光路分色设计。在单光子激光光路中设置小孔光阑，通过仿真分析验证了小孔光阑的杂光抑制能力。通过高精度装调和视轴标定，激光/红外共口径探测系统具备良好的成像质量，中波光路实测调制传递函数达0.28（@20 lp/mm）。利用原理样机完成了对民航飞机的外场探测实验，实验结果表明，该系统可实现对远距离民航飞机的有效探测和跟踪，探测距离达225 km以上，可满足航空、航天及地面探测领域对远距离目标的预警探测和测距需求。

为了实时准确地将激光直写系统中经直写物镜聚焦的光斑定位于待加工元件表面，提出了一种基于波像差判据的同步相移显微干涉检焦方法，实现了对离焦量的实时检测与调整。在直写系统中引入检焦光路，与直写光路共享同一物镜，构建Linnik型同步相移显微干涉检焦系统，提取包含离焦量的波面相位信息；再从大数值孔径（NA）的物镜波像差数据中解析出离焦量的大小与方向。仿真结果验证了基于波像差判据的离焦计算方法的正确性，NA≥0.5时，离焦探测灵敏度可达4 nm, 通过实验验证了同步相移显微干涉检焦方法的可行性，检焦精度可达10 nm以内，满足激光直写高精度的测量要求。