离轴非球面反射镜是高性能空间光学系统的核心部件，用于研制大视场、长焦距空间遥感相机。为了解决离轴非球面反射镜的高精度面形检测，保障空间遥感相机的成像效果，基于计算全息光学元件建立了一种离轴非球面反射镜的高精度面形检测方法。该方法通过设计基准光斑确定待测镜面的空间位置，通过像差调节可以高精度实现对于待测镜面的干涉检测，利用载频有效分离干扰衍射级次，从而实现对于待测镜面的高精度测量。为了验证所述方法的设计检测精度与有效性，完成对于目标离轴非球面反射镜的干涉检测补偿设计。设计结果表明，利用所述方法可以有效地实现对于离轴非球面反射镜的干涉测量，镜面全口径设计结果残差为0 nm RMS，验证了该方法的设计可靠性与实用性。

为了解决同轴高次非球面的高精度面形检测问题，本文提出了一种基于CGH的同轴高次非球面零位补偿检测设计方法。利用所提方法，可以实现同轴非球面补偿设计中各衍射级次的有效分离，可实现对于待测镜面的零位补偿设计。结合工程实例，本文对一口径为260 mm的同轴高次非球面反射镜实现了零位补偿检测设计。从CGH设计结果可以看出，基于本文检测设计方法，其理论设计检测残差（RMS值）可以达到0 nm。此外，还完成了对于该同轴高次非球面反射镜的实际检测。针对检测过程中的误差源进行了误差分析，以验证本方法的可靠性与精度。

次镜的全口径面形测量是干涉检测中的难点问题，为了实现同轴高次碳化硅非球面次镜的全口径面形检测，提出了一种基于CGH的零位补偿测量模型。利用该模型对90 mm口径的高次碳化硅非球面次镜进行了零位补偿设计。设计中，为了降低次镜的调整测试难度，采用平面波出射干涉仪、CGH及待测同轴高次碳化硅非球面次镜进行光路搭建设计。从设计分析可以得出，基于文中的次镜补偿设计方法，其补偿设计的理论设计精度RMS值为0 nm，验证了该设计方法的精度与准确性。同时，对该次镜进行了干涉检测及误差分析，其全口径面形检测结果RMS值达到0.015λ（λ=632.8 nm），标定CGH透射波像差后其全口径面形检测结果RMS值为0.016λ（λ=632.8 nm），进一步验证了文中方法的可靠性。

光学系统镜面面形的可检测性是光学系统从设计走向应用的基本条件。目前的光学系统设计方法多侧重于约束外形尺寸、提高成像质量，光学系统设计和光学元件检测设计与评估经常是先后进行的，在系统设计时不直接得到检测性的反馈。对于高指标要求的光学系统，容易造成系统像质设计良好、但元件检测难度过大的情况，使光学系统的落地应用产生瓶颈。在光学系统优化设计过程中，融入检测的相关理论方法是解决光学元件面形可检测性的重要途经。以离轴三反光学系统设计为切入点，CGH (Computer Generated Hologram)为光学元件检测工具，推导了光学系统设计参数与CGH相关参数的数学关系，作为光学系统面形的可检测性的桥梁，建立了面向镜面面形可检测性评估的离轴三反光学系统设计方法。在设计验证环节，以焦距为800 mm、F数为4、视场为14°×2°的离轴三反系统为例进行了设计仿真，在保证系统像质（调制传递函数 (Modulation Transfer Function, MTF) 值大于0.4@100 lp/mm）的同时，将用于检测的CGH最小条纹宽度从4.84 μm提升到14.34 μm，提高了非球面反射镜的可检测性。该设计方法实现了在光学设计中对检测参数的评估与控制，对降低光学元件检测难度、提高光学系统设计的可实现性具有一定意义。

面向机载探测系统大视场光学成像的需求，开展了大视场光学成像系统光学设计、自由曲面光学元件超精密加工、形位误差同步检测以及系统集成与成像实验研究。首先，采用视场扩展法进行大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计；其次，进行铝合金自由曲面反射镜纳米精度加工和高频抑制工艺探索，并实现了基于计算全息元件的自由曲面形位高精度检测；最后，进行了光学系统的装调集成与成像实验。结果表明，系统的视场角为30°×5°，全视场光学传递函数值大于0.7，接近衍射极限，最大像元均方根半径为2.075 μm，自由曲面光学元件的面形精度均方根（Root Mean Square， RMS）值优于20 nm，位置精度优于1 μm，装配集成后能够满足大视场高分辨的场景使用要求，同时具备稳定可靠和快响制造等特点。