为满足多波段、长焦距、大孔径、紧凑结构的设计要求, 对反射式光学系统进行了研究。以同轴三反系统的成像理论为设计基础, 为避免光学系统遮拦同时提高成像质量, 利用Zemax软件介绍了一种优化离轴三反光学系统的方法。与采用ZPL语言的控制优化相比, 该方法更加简便、直观, 且无需使用复杂非球面, 仅采用曲面圆锥系数即可满足设计要求, 大大降低了加工、检测的成本和难度。采用视场离轴方式设计出了一种焦距为1000 mm、口径为6 in、视场角为2.2°×0.22°的可见光/中波红外双波段离轴三反光学系统。仿真结果表明, 其3～5 μm波段在空间频率17 lp/mm处的全视场调制传递函数（Modulation Transfer Function, MTF）值大于0.4, 0.4～0.7 μm波段在空间频率50 lp/mm处的全视场MTF值大于0.7。该系统的成像质量良好, 接近衍射极限。

基于激光雷达高程数据与平面影像数据融合的三维成像技术是三维遥感探测技术的重要发展方向之一。本文设计了基于此体制的共孔径三维成像载荷的光学系统。从受限的空间尺寸出发, 以此作为设计输入条件, 得到光学系统的初始设计参数, 设计了焦距为2 400 mm, F数为5.33的偏视场同轴三反系统。采用三镜前置的方式, 大大缩短了光学系统的轴向长度, 使光学系统的轴向长度仅为焦距的1/4.36, 在有限的空间内, 实现了长焦距、高分辨率的光学系统排布。采用偏视场设计, 避免了系统内的二次遮挡。整个系统的成像质量良好, 无色差, 畸变小, 光学调制传递函数接近衍射极限, 同时其相对孔径较大, 有效通光孔径较大, 能量集中度高, 在保证高地面分辨率的同时, 满足了激光接收端对能量的需求。

随着对空间信息获取能力的要求不断提高, 使得高分辨率动态遥感成为空间光学领域一个新的研究热点。偏视场同轴三反光学系统具有长焦距、体积小、轻量化程度和成像质量高等特点, 能够满足低轨视频卫星高分辨率、多谱段、多功能性和低成本的要求, 因此在高分辨率动态遥感领域有着广泛的应用前景。以高斯光学和三反射消像差理论为基础, 设计了可见光面阵成像、近红外和中红外线阵推扫成像的共孔径光学系统。可见光系统焦距4.1 m, 近红外系统焦距2.6 m, 中红外系统焦距1.85 m, 三者孔径均为520 mm, 视场均为0.6°×0.6°, 成像质均接近衍射极限, 成像质量良好。系统总长小于f′visible/3.7, 且系统的加工和装配公差较为宽松, 易于实现。

随着Skysat-1卫星的成功发射，高分辨率视频相机是目前竞相开发的卫星有效载荷。为降低成本、适应小卫星平台，亟需设计与研制体积小、重量轻、易实现、能对面视场成像的长焦距光学系统。研究与设计了适于面视场成像的全视场同轴三反望远物镜，解决其固有的二次遮拦和像面引出困难等问题。由近轴几何光学理论，导出消除二次遮拦的条件和系统总长与三镜中继成像倍率的关系，讨论并得到合理的三镜中继成像倍率等参数。利用出瞳附近处的平面镜，无遮拦地引出像平面，同时用平面镜组折叠光路，减小系统总长。给出了确定初始结构参数的方法与结果，优化设计得到了有效焦距、视场角、F数分别为10 m、1.1°×1°、14.3的无二次遮拦光学系统，其总长约为有效焦距的1/8，成像质量接近衍射极限。

阐述了基于相位差异（PD）的波前传感技术的基本原理；仿真分析了PD技术的噪声适应性及探测器离焦误差对精度的影响；利用PD技术的波前传感结果分别辅助装调了离轴、同轴三反光学系统，并分别将多视场的波前图与干涉检验的结果进行对比。实验结果表明，利用PD技术可实现三反光学系统的波前传感及辅助装调。与干涉检验的结果相比，波前传感结果的RMS偏差均优于0.02λ，检测精度满足工程需求。

为实现高分辨率全天候对地观测，充分利用了长焦距、大孔径空间光学系统的特点，设计了可见、红外共孔径光学系统。系统由可见光光学系统和红外子系统组成，视场角1.3°×0.1°，便于共光路同时推扫成像。可见光光学系统采用同轴三反结构，谱段0.38~0.78 μm，焦距25 m，F 数10，具有中间像面和实际出瞳，便于抑制杂散光。在可见光光学系统出瞳附近分光并以红外子系统与之承接，形成共孔径红外光学系统，谱段8~10.5 μm，焦距4 m，F 数1.6。优化后，双波段像质均接近衍射极限，满足设计指标且全系统结构紧凑。进行了公差分析，并通过蒙特卡罗方法验证了公差分配的结果满足静态传递函数优于0.2的设计要求。

在轨运行的空间相机受到温差或运动振动等影响导致像面离焦，成像质量下降。波前编码技术可以在保持光学系统整体参数不变的情况下扩展系统的焦深，使调制传递函数对离焦不敏感。将波前编码技术应用于空间同轴三反系统，提出在系统的出瞳面上加置掩模板，并对掩模板的面型进行优化，对原系统和应用波前编码技术的新系统的成像特性进行了分析和对比。讨论了波前编码掩模板的相位因子对系统的焦深延拓以及对像质的影响。理论及仿真结果表明：将波前编码技术应用于同轴三反系统，使系统对离焦不敏感，可以很好地扩大系统的焦深，对解决空间光学系统像面离焦问题具有很高的实用价值。

离轴三反射(TMA)系统是基于同轴三反射系统，通过视场离轴及孔径离轴实现无中心遮拦。传统解法需通过三反射镜遮拦比与放大率,来确定同轴结构的间隔等参数，该方法不利于直接限制系统筒长。在传统解法的基础上，提出一种通过给定三个反射镜间隔及三镜到像面距离，确定同轴结构的方法。利用Matlab 软件设计程序求解初始参数；利用Zemax 光学设计软件进行优化。根据是否有中间像面，分别设计得到焦距为1500 mm，入瞳250 mm 的Cook 式和Wetherell 式离轴三反射系统。结果显示，两种光学系统调制传递函数在50 lp/mm 处均大于0.6，点列斑均方根半径小于5 μm 。该方法直接有效的控制了系统长度，设计结果像质满足要求。

遥感测绘应用要求光学系统焦距长、幅宽大、畸变低、体积小，并且可以实现与卫星平台的一体化设计。经过结构优选，采用改进型同轴三反结构，同时实现了长焦距、大幅宽和低畸变。由于二次遮拦和大视场的影响，一般的非球面优化设计成像质量不能满足要求。自由曲面的加入有效地增加了光学系统优化的自由度，经过优化设计后，光学系统设计传递函数大于0.418（72 lp/mm），最大相对畸变小于0.00145%，光学系统成像质量明显提高。利用计算全息（CGH）技术实现了自由曲面的检测与精磨加工，设计残余波像差均方根(RMS)值为0.007λ，峰谷(PV)值为0.027λ，满足自由曲面的面形公差要求。加工、装调后实测光学系统的实验室静态传递函数，弧矢方向最低静态传递函数为0.225（72 lp/mm），满足系统技术指标要求。