为了实现对远距离目标的实时跟踪与测量, 设计了口径为650 mm, 焦距为5 000~2 000 mm的连续变焦距光学系统。提出了牛顿式折反射光学系统与倒置的连续变焦距光学系统组合的设计方法, 实现了光瞳的合理匹配与对接。确定了合适的入瞳位置, 消除了变焦过程中像面容易产生的鬼像。通过合理匹配主系统和变焦距系统的光焦度, 使得二级光谱最小化。运用CODEⅤ软件对各焦距位置的像差进行优化与平衡, 使变焦距光学系统在各焦距位置的像差均得到校正与平衡, 像面保持严格的一致性, 从而各焦距位置成像质量良好。实验显示该系统全视场平均传递函数均在0.524以上(Nyquist频率: 35 lp/mm), 满足使用要求。

针对三线阵立体测绘相机CCD成像靶面偏离最佳像面位置, 影响成像质量的问题, 根据光学系统的设计参量, 计算测绘相机的调焦准确度, 分析像方远心光路对测绘相机调焦准确度及调焦对测绘准确度的影响.结果表明, 光学系统的调焦范围为±2 mm；当采用像方远心光路, 在允许离焦的范围内进行调焦时, 产生的投影畸变可忽略不计.调焦后光学系统的成像质量、畸变要求满足高测绘准确度要求.

为了完成飞行器导引头目标识别与探测任务，以短焦距、大视场进行搜索并确认目标，以长焦距、小视场进行高精度目标识别。通过选择正组补偿的机械补偿法，采用3种普通光学材料，在长焦距位置，将前固定组、变倍组的组合设计为远摄型，使得系统结构紧凑，满足导引头小型化的要求。利用CODE V光学设计软件，优化设计了焦距为30~150 mm，视场角为1290°×1025°~259°×207°，筒长仅为174 mm的变焦距光学系统，得到成像质量优良的设计结果。各焦距、全视场平均传递函数值在50 lp/mm时为0695，测试结果为0562，满足系统的性能要求。

根据多光谱相机技术指标要求,讨论了空间多光谱相机的光学设计。采用准远心的离轴三反式结构满足测绘用多光谱相机的低畸变要求。考虑加工、装调与检测等因素,将次镜设计成球面,提高了设计的可靠性。优化完成的设计结果相对畸变小于0.012%,成像质量良好,全视场各谱段MTF在Nyquist频率下优于0.75。加工、装调后的系统静态传函测试结果高于0.2的系统技术指标要求。

星敏感器一般由光学系统和光电传感器两部分组成，其中光学系统是最主要的组成部分。星敏感器光学系统的技术指标与成像质量要求较高，并且其体积与重量需严格限制，设计难度较大。在满足体积要求的前提下选择最佳系统结构，合理分配光焦度以减小系统的高级像差与畸变，同时使系统为远心光路；采用特殊色散玻璃校正系统较宽波段范围的色差，并加入非球面以提高系统成像质量。结果表明光学系统各视场实测调制传递函数大于0.344（奈奎斯特频率处），实验室静态传递函数大于0.2（奈奎斯特频率处），成像弥散斑80%的能量集中在直径为23 μm区域内，相对畸变小于0.1%，满足技术指标与成像质量要求。

在离轴三反射系统热光学理论分析的基础上，利用热光学实验测试了光学系统在不同热环境下的成像质量。将实测温度代入有限元模型，计算表征镜面变形的Zernike系数。将Zernike系数输入光学设计软件，复算光学系统的理论成像质量，并与测试结果进行对比分析。结果显示，理论复算值与实验实测值相吻合，证明了理论分析的正确性。试验检测表明，系统在Nquist频率下，18 ℃时的静态传递函数为0247；14~21 ℃时的静态传递函数为0221~0254，满足系统成像质量要求。

针对光学系统的杂光导致三线阵测绘相机成像质量下降的问题，根据光学系统的设计结果，对相机入口处的杂光能量、像面杂光辐照度、杂光系数等进行了分析与计算，提出了合理的杂光抑制措施。利用Thermal Desktop软件和Light-Tools软件，对三线阵立体测绘相机各光学系统进行分析与模拟计算，得到其杂光系数均小于5%。最后进行了光学实验，并利用面源法测试了杂光系数。检测结果验证了杂光分析与研究方法的正确性以及杂光抑制措施的可行性。

针对高成像质量三线阵测绘相机杂光导致相机成像质量下降的问题, 文章根据光学系统的设计结果, 对相机的杂光系数进行分析与计算, 提出合理的杂光抑制措施；利用ZEMAX软件和LightTools软件, 分析了杂光对三线阵立体测绘相机成像的影响, 通过模拟计算得到杂光系数小于5%的理论结果；实验检测了相机实际杂光系数, 得到最大杂光系数小于6%的实测结果, 模拟了杂光影响下的光学系统图像, 证明了杂光抑制措施的有效性和杂光影响下成像分析的合理性。

针对三线阵测绘相机光学系统设计的指标要求, 综合考虑空间环境适应性、结构布局等因素, 采用像方远心光路设计了一种兼具匹兹瓦型与对称型优点的新型光学系统结构。该系统在Nyquist频率77 lp/mm时, 正视相机全视场的平均传递函数为0.613, 前、后视相机全视场的平均传递函数为0.578; 正视相机畸变为2×10-5, 前、后视相机畸变为2.4×10-5。运用公差的灵敏度分析和反转灵敏度分析, 计算了系统内各公差参数对光学系统成像质量的影响, 给出合理的公差要求及合适的补偿调整参数。按给定的公差要求, 加工、装调了具有较高成像质量的光学系统。实验检测结果表明, 各相机光学系统传递函数的测试值均在0.451以上, 满足实验室静态传递函数>0.2, 相对畸变<3×10-4的指标要求, 制定的公差合理、可行, 验证了公差分析与研究方法的正确性。

考虑空间环境中温度是光学系统成像质量的主要影响源，针对离轴三反射光学系统提出了一套由有限元分析到光学分析的热光学分析方法。在有效分析均匀温度场对系统影响的基础上，采用有限元分析得到温差影响下的镜面面形畸变，并用Zernike多项式拟合畸变面形；将Zernike系数代入光学设计软件CODE V，理论分析了温差影响下的光学系统成像质量，提出了光学系统温控指标。以温控指标为依据对光学系统采用主动热控进行热光学试验，所得试验结果均达到56 lp/mm下光学系统全视场MTF值>0.2的光学参数要求，实验结果证明了理论分析的准确性和温控指标的合理性。