共孔径光学结构可以充分利用长焦距、大孔径光学系统高分辨率的特点, 是光学系统发展的重要方向之一。文中设计了一套可见光成像、激光成像和激光测高共孔径的跟踪引导系统。共孔径设计结合了高分辨率的可见光系统与高测量精度的激光系统, 使系统既可以获得目标的高清图像, 又可以得到目标的相对位置信息。同时, 共孔径光学结构可以压缩系统尺寸, 降低光学系统在跟踪过程中的转动惯量, 有利于系统的整体实现。可见光子系统的焦距1 200 mm, F数6, 视场±1.2°; 1 064 nm激光成像子系统焦距1 500 mm, F数7.5。各系统的成像质量均接近衍射极限, 并通过公差分析验证了系统的公差分配结果。

为减轻卫星载荷质量和应对各种突发状况，将成像光学系统同时用作激光发射天线的共口径设计具有重要意义。因此根据特定的成像光学系统给出了共口径设计方法，针对其中基于EDFA功放技术的发射单元与成像系统相匹配的耦合镜头进行了分析与设计，基于此研究了发射高斯光束在该共口径系统中的传输及出射光束的场分布，讨论并仿真分析了耦合镜头与成像主次镜距离的改变对出射光束性能的影响。结果表明，共口径设计满足激光发射要求，并且微调耦合镜头与成像主次镜的距离可以改变出射光束的束腰和远场光强峰值能量从而满足不同的通信需求，且对出射光束的总能量没有明显影响。

将成像光学系统同时用作激光发射天线的共口径设计可有效减轻卫星载荷质量和应对各种突发状况。首先根据激光通信的能量计算链路, 分析了激光发射天线的设计要求, 明确了激光发射天线与成像光学系统的不同; 然后根据特定的成像光学系统给出了3种具有普适性的共口径设计方法, 并对这3种方法的性能进行了分析和比较, 给出了它们的优缺点和适用范围; 最后对所设计的共口径系统进行了发射光束仿真, 经过对设计系统加工、装调后进行了室内的成像、通信实验, 结果显示发射激光的最小束散角可达182 μrad, 接近系统衍射极限, 出射光斑质量良好, 接收到的图像与成像系统所成图像肉眼观测无失配。初步证实该共口径设计可实现光学系统的成像和通信任务要求。

针对空间成像系统与激光通信天线同时需要大口径光学系统而使卫星载荷质量增大的问题，提出了一种成像光学系统与收发合一激光通信天线共口径工作的新型光学系统。从像差理论出发，给出了以主次反射镜为共用部分、成像和通信工作在不同视场的共口径光学系统初始结构设计方法。实际设计了共口径光学系统，该系统口径为600 mm，次镜遮拦比为0.225，成像系统的传递函数在50 lp/mm时大于0.47，接近衍射极限；发射分系统波像差远小于λ/20，发射激光的最小束散角可达4 μrad，出射光斑质量良好；接收系统达到衍射极限，光斑远小于探测端面，满足探测要求。最后,进行了公差分析，给出了光学系统的装调方法。该设计通过共用主次镜减少了系统总质量和总体积，同时满足空间成像和激光通信系统的性能要求。