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。

随着电荷耦合器件(CCD)的不断发展，时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)已成为高分辨率、大F数、轻小型空间相机器件的首选。但受到光学系统畸变的影响，在TDI-CCD积分成像过程中，将不可避免地存在像移，并最终导致成像模糊，使图像调制传递函数（MTF）下降。分析了光学系统畸变引起像移的原因，并给出受畸变影响产生的MTF下降系数fMT,D关于光学系统畸变的表达式。从光学系统设计角度研究了限制fMT,D的方法，给出了光学系统设计结果。设计了焦距f′=9000 mm，F数为13.33，成像谱段为400~700 nm的偏视场同轴四反射低畸变、大视场光学系统。设计结果表明，在使用视场角2ω=2°范围内，波像差优于λ/21，受畸变影响产生的fMT,D为0.969，证明该系统很好地抑制了光学系统畸变对积分成像的影响。研究可为高分辨率、宽视场、大F数的轻小型空间相机的设计提供参考。

太阳能聚光系统接收面能流密度的均匀性对系统的性能及转换效率有着重要影响。为了提高聚光系统接收面上能流密度分布的均匀性，提出了一种对聚光系统接收器的布局及几何形状进行设计和优化的方法。该方法通过蒙特卡罗光线追迹法确定聚光系统接收面上的辐射能流分布，同时考虑了太阳形状。建立了以接收面口径大小为约束，以接收面辐射能流密度分布均匀度最高为目标的优化模型，并利用Kiefer-Wolfowitz 随机逼近算法进行求解，从而实现了系统的优化。对二维抛物柱面聚光系统实例进行设计优化，在接收面上获得了光强的最佳均匀分布，同时能保持78.25%的高能量接收率，证明了该方法的有效性。该优化方法相比传统的试凑法计算效率高，并且得到的设计结果更接近最优解。