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。

为了减小对卫星上的空间使用，针对定标特点，本文提出了一种用于积分球光源准直照明的自由曲面反射镜设计方法。采用该方法，能够以小口径的积分球实现大面积的方形均匀辐照度分布。首先，通过点光源模型建立自由曲面离轴反射照明数学模型，然后，通过切比雪夫点离散自由曲面，并求解出满足点光源照明的自由曲面模型，最后，分析积分球的光源特性，通过逐步优化自由曲面能量分布方法完成点光源照明模型到积分球照明模型的转变。通过分析可知，设定照明面积为140 mm×140 mm时，目标面的辐照度非均匀性的不均匀度小于0.02。满足星载定标轻量化，短光路，结构简单的需求。

金属颗粒掺杂型复合涂层是重要的航天器热控材料，除了粒子材料、尺寸、体积分数、几何形貌、涂层厚度等常规调控手段，颗粒的取向也是影响涂层辐射特性的重要因素。颗粒取向可以通过改变工艺参数或使用定向剂控制，然而目前关于颗粒整体取向对涂层吸收发射比的影响规律尚不清晰，而且现有的采用二流法的研究中大多都将散射假定为各向同性。以热控涂层中常用的大尺寸铝片粒子掺杂型复合涂层为计算模型，采用考虑衍射的几何光学方法和考虑各向异性散射的二流法研究了铝片取向角对热控涂层吸收发射比的调控规律，同时考虑了铝片体积分数和涂层厚度等因素。结果表明：通过调节粒子取向可实现涂层吸收发射比在0.48~1.69范围内的调控。涂层平均吸收率和平均发射率在铝片取向角超过45°时明显增大。涂层吸收发射比在铝片取向角45°附近最小，并且随铝片体积分数的增大而减小。研究表明：通过控制粒子的整体取向可有效实现吸收发射比的调控，为热控涂层的设计和调控提供了新的思路。