全景环带光学系统凭借周视范围实时成像的特点已在超大视场光学领域中得到了广泛应用。传统的全景环带光学系统将折射、反射面集成在一片块状透镜中，光线在其内部进行多次折、反射导致头部单元体积较大，同时红外透镜材料密度大、折射率温度稳定性差等特点也与光学遥感器轻量化、可靠性高的应用需求相矛盾。文章基于像差理论，讨论了全景环带两反射镜红外光学系统头部单元初始结构设计方法，将Q型（Q-Type多项式）非球面引入全景头部单元增加优化变量，用偏离因子因子${k_{{\text{RMS}}}}$数值表征非球面加工难度，设计了以两反射镜为头部单元的全景环带红外光学系统。该系统在奈奎斯特频率（20线对/mm）处调制传递函数优于0.5；全视场像元（25 μm×25 μm区域内）能量集中度优于65%，像质评价结果表明其成像品质良好。该设计在缩小系统体积、提高光学设计优化效率方面有很大的改进，满足超大视场实时成像的应用需求。

为了实现凹非球面的快速、高精度与通用化检测，文中提出了一种将非球面当做球面，直接采用干涉仪检测的非零位干涉检测方法，并结合相应的数据处理方法，获得非球面的面形误差检测结果。首先，介绍了该方法的检测原理，建立了回程误差、调整误差的计算与去除模型，研究了面形误差的数据处理方法。然后，以两个不同非球面度的凹非球面为例，对其回程误差和调整误差进行了仿真计算，验证了该方法的有效性。最后，搭建了凹非球面的非零位检测实验装置，成功测量得到其面形误差。通过与自准直零位检测法或LUPHOScan轮廓测量法检测结果对比发现，两种方法测量得到的面形分布和评价指标具有高度一致性，验证了该检测方法的正确性。该检测方法在保证高精度测量的同时兼备一定的通用性与便捷性，为凹非球面的通用化检测提供了一种有效手段。

大孔径折反射成像系统被广泛应用于机器人导航和安全监控等领域。首先分析了超大视场光学系统六阶波像差理论应用于非球面光学系统的像差计算方法, 随后基于该六阶波像差理论, 构建了非球面大孔径折反射成像系统像差优化评价目标函数, 并给出了求解这种包含多个光学参量的目标函数的优化算法, 得到优化后的系统结构参数。最后, 应用所提方法设计了一款工作波段为400～700 nm、最大视场角为120°、F 数为2.6且成像质量较好的光学系统。设计案例的结果表明所提出方法是有效的, 为非球面大孔径折反射成像系统像差优化提供了一种有效手段。

高次凸非球面镜是光学系统中至关重要的元件, 通常作为次镜来补偿光学系统的轴外像差, 但其检验方法一直是一大难点。基于背向零位检测方法, 提出利用三透镜与单折射面组合的形式来补偿高次非球面的法线像差。首先选取高次非球面的二次比较面来简化计算, 基于三级像差理论求解系统的初始结构, 对高次非球面的法线像差进行补偿，使用ZEMAX软件仿真与优化后, 设计结果完全满足要求。随后结合一块有效通光口径为170 mm、顶点曲率半径为266.8 mm的高次凸非球面反射镜, 测得镜面的面形精度均方根为0.019 λ (λ = 632.8 nm), 满足实际检测要求, 验证了所提设计方法的可行性。此方法为大口径高次凸非球面的检验提供了一个新的思路。

由于仪器传递函数（Instrument Transfer Function, ITF）能准确反映仪器在空间频率上的响应特征，被广泛应用于仪器规范之中。目前多采用刻有单一台阶特征或不同周期正弦特征的平面测试板对干涉仪的ITF进行检测。针对平面测试板无法完成高陡度球面/非球面镜检测时ITF标定的问题，提出了根据球面台阶测试板标定高陡度镜面检测的子孔径拼接ITF的方法。通过超精密车削技术制作了球面台阶测试板，并对其进行拼接检测，根据梯度定位法和旋转矩阵完成检测孔径中台阶的定位及采样，利用傅里叶变换方法实现对台阶实测面形的功率谱密度求解，最后与理想面形功率谱密度做比获得ITF。对口径100 mm、曲率半径100 mm、带有同心圆环台阶结构的球面台阶测试板进行拼接检测以及数据分析，实验结果表明：在1 mm⁻¹的空间频率范围内，各个子孔径对高陡度镜面的检测水平平均可达到82.72%，具有较好的检测精度，随后ITF逐渐衰减，当空间频率在1.5 mm⁻¹左右时，仅能达到40%~60%。