围绕实际检验工作中遇到的问题, 以及国家推荐标准GB/T 10899-2009光学系统杂(散) 光测试方法中提出的要求, 论述了对光学系统全视场杂散光系数进行测试的必要性以及测量方法, 通过对现有杂散光测试装置的改造, 实现了对光学系统全视场杂散光系数的测试, 给出两种变焦距镜头全视场杂散光系数测试结果和分布状态曲线, 得到结论: 基本参数相近而型号不同的光学镜头, 其杂散光系数和分布状态会存在很大的区别。光学与机械结构形式不同是造成该区别的主要原因。测试数据能对光学系统杂散光抑制能力的提高起到参考作用。

提出了一种用于LED准直照明的非球面透镜设计方法，该方法产生于对非球面几何光学特性分析和粒子群优化算法优越的寻优能力。用该方法设计了一个基于点光源准直的出光口径30 mm的非球面透镜，为了证明准直透镜的准直效果，用光线追迹方法模拟了准直透镜对于点光源的准直过程。模拟结果显示，点光源经准直透镜后出射光线的最大半视场角为0.004 60，0.8 mm×0.8 mm LED光源经准直透镜后出射光线的最大半视场角为4.91°，表明了粒子群算法用于非球面准直透镜设计的可行性和有效性。与现有的设计方法相比，该设计方法意义更直观，实施更简单。

推导了分划板失调量与待测系统调制传递函数(MTF)下降之间的解析表达式，对光管和待测系统焦距比与分划板装调精度之间的数学关系进行仿真分析，发现焦距比为1，分划板轴向装调误差为0.0012 mm引起的待测系统MTF下降为0.01。据此提出依据Zernike系数定量指导装调，采用数字干涉仪与平行光管、分划板构成干涉光路进行逐次迭代调整的方法。实验与数学分析均表明，上述方法可显著提升分划板装调精度，其引起的探测器离焦导致的MTF下降可控制在0.013。实验结果与理论值之间的偏差表明，环境扰动等不确定度对标定精度产生影响，在测试环境良好的条件下采用上述装调方法，使用焦距与待测光电系统焦距相当的平行光管就可满足高精度光学标定与装调的测试需求。

为了提高平行光管分划板的安装精度, 提出一种基于数字干涉仪的平行光管分划板安装方法, 介绍了该安装方法的原理和实施过程。以口径 800 mm, 焦距 20 m的平行光管为例, 分析并计算了该安装方法和已有安装方法的安装精度。结果表明, 该方法对任意分划板的安装精度优于 0.07 mm, 远高于已有安装方法的安装精度。

光学遥感系统采用线阵CCD推扫成像方法获取地面景物的高分辨图像信息,调制传递函数(MTF)是评价系统成像质量的重要参数。使用矩形波板作为目标在Nyquist频率处测试光电成像系统的静态调制传递函数可以定量评价系统的成像质量。由于采用线阵CCD推扫成像的光电系统还需要测试其在像移补偿、偏流角控制状态下的动态调制传递函数(Dynamic MTF),才可以定量评价系统在工作状态下的动态成像性能。为此,论文基于光电成像系统动静态调制传递函数的测试原理,研究了测试系统的组成与工作方法,对其中的平行光管组件与动静态目标发生装置进行了仿真设计。其中平行光管的波像差优于25 nm(RMS),静态目标发生装置的调焦精度优于3 μm,动态目标发生装置的输出像移补偿偏差小于5/1 000,照明均匀性优于95%,可以理论上实现非相干照明。上述仿真设计结果可以满足新型光学遥感成像系统实验室内动静态调制传递函数的测试需求。

针对高成像质量三线阵测绘相机杂光导致相机成像质量下降的问题, 文章根据光学系统的设计结果, 对相机的杂光系数进行分析与计算, 提出合理的杂光抑制措施；利用ZEMAX软件和LightTools软件, 分析了杂光对三线阵立体测绘相机成像的影响, 通过模拟计算得到杂光系数小于5%的理论结果；实验检测了相机实际杂光系数, 得到最大杂光系数小于6%的实测结果, 模拟了杂光影响下的光学系统图像, 证明了杂光抑制措施的有效性和杂光影响下成像分析的合理性。

由于测绘相机的关键几何参数内方位元素和畸变的标定精度决定相机的立体测绘精度，本文提出了一种离轴三反时间延迟积分(TDI)CCD相机内方位元素和畸变的标定方法。介绍了离轴三反TDICCD相机的光学系统和像面拼接方法，明确了该相机内方位元素和畸变的含义。建立了标定系统及相应的数学模型，应用最小二乘回归法求得了内方位元素和畸变的表达式。利用提出的方法标定了相机的内方位元素和畸变，并对标定误差进行了分析。结果表明:该方法对主点的标定精度可达10 μm(1σ)，对主距的标定精度可达20 μm(1σ)，对畸变的标定精度为23 μm(1σ)。结果显示提出的标定方法快捷且有效。

传输型立体测绘卫星利用测绘相机进行摄影测量时, 需要确定测绘相机在惯性坐标系中的姿态。确定姿态时, 首先由星敏感器测量得到星敏测量坐标系在惯性坐标系中的姿态, 然后通过星敏测量坐标系与星敏立方镜的转换矩阵、星敏立方镜与测绘相机立方镜的转换矩阵, 得到测绘相机测量坐标系在惯性坐标系中的姿态。文中介绍了各坐标系的定义, 根据星敏立方镜与测绘相机立方镜坐标系的关系, 利用4台经纬仪测量系统分别建立星敏立方镜和测绘相机立方镜的坐标系以及2坐标系间的转换矩阵,介绍了2个立方镜坐标系的标定方法, 多次测量结果表明, 最大标定误差为1.011 6", 优于2"(1σ), 满足立体测绘精度的要求。

光学系统结构决定了CCD相机的外形尺寸和布局，为保证相机的小型化、轻量化及稳定性,本文针对光学系统设计指标的要求，分析、比较了折射式、反射式及折反射式等光学系统的结构型式，综合考虑相机的空间环境适应性和结构布局等因素，采用像方远心光路，设计了一种兼具匹兹瓦型与对称型优点的新型光学系统结构。设计的光学系统成像质量好，在Nyquist频率为77 lp/mm时，正视相机全视场的平均传递函数为0.613，前、后视相机全视场的平均传递函数为0.578；正视相机畸变为2×10-5，前、后视相机畸变为2.4×10-5。装调完成后对光学系统成像质量进行了检测，各相机光学系统传递函数的测试值均在0.451以上,满足实验室静态传递函数＞0.2，相对畸变＜3×10-4的指标要求。

介绍了一种离轴三反光学镜头像面畸变的标定方法和步骤,以及标定系统的原理和组成。对三反系统镜头的像面畸变进行了分析,建立了畸变的数学模型,应用最小二乘一元回归的方法,求得镜头的成像像面方向的畸变,并利用高精度单轴转台和长焦距平行光管标定系统完成了离轴三反镜头像面畸变的标定。实际标定结果表明:该方法对像面绝对畸变的标定精度＜2 μm(1σ),相对测量精度＜1×10^-4(1σ),可以满足离轴三反镜头高精度畸变标定要求,具有实际应用价值。