离轴三反光学系统基于无孔径遮拦、可实现大视场等优势，结合自由度高、像差校正能力强的光学自由曲面，可以实现优异的光学性能。光学系统成像指标的不断提高促使反射式光学系统的口径和焦距不断增大，光学系统误差敏感度剧增，加工难度和装调敏感度也随之提高，耗费的时间和经济成本巨大。误差敏感度可以表征光学系统在失调后的敏感程度，误差敏感度低的光学系统公差精度要求宽松，在优化过程中控制误差敏感度可以实现像质与成本之间的最佳平衡。因此，降敏优化是光学系统设计过程中不可或缺的一环。文中提出的角度优化降敏设计方法和局部曲率控制降敏设计方法对一个焦距30 000 mm、F数为15、视场角1°×1°的大型自由曲面离轴三反光学系统进行了降敏设计并进行对比，结果表明，在光学系统构型无显著差异的情况下，使用两种降敏设计方法降敏后的光学系统像差校正理论结果均表现优异，调制传递函数（MTF）均接近衍射极限，两种降敏设计方法均可以有效降低光学系统误差敏感度。对比发现，局部曲率控制降敏设计方法降敏效果更好。

系统性地采取严格控制光学元件加工装配精度、采用大质量高稳定性光机结构、运用精密热控等方法，是以往保证空间相机光学系统高性能成像质量的常规方法，但同时该策略的实施也给相机研制带来了较高的经济与资源代价。面对高性能空间光学相机低成本化的发展趋势，降低光学系统误差敏感度，在保证成像性能的同时降低实现成本，是需要面对与解决的课题。以某小型空间相机研制为背景，应用光学系统低误差敏感度设计方法（降敏设计方法），对相机焦距500 mm、相对孔径1∶5、视场角2ω=4°的同轴两镜折反射式光学系统进行了降敏设计。结果表明，基于降敏设计方法获得的光学系统不仅像差校正理论结果表现优异，调制传递函数接近衍射极限，同时，仿真显示其在误差干扰下光学系统鲁棒性好，为相机的快速低成本制造提供了保证。光学系统降敏设计方法对高性能小型空间载荷的设计与低成本快速研制具有重要的应用价值。

木卫一等离子体环是木星磁层中密度最大、研究最广泛的区域。为满足木卫一等离子体环的观测需求，设计了一种用于行星大气光谱望远镜（Planetary Atmospheric Spectral telescope， PAST）的Lyot星冕仪。根据木星的辐射特性与PAST参数确定仪器参数，给出Lyot星冕仪的初始结构并进行优化；分析了Lyot星冕仪的成像性能，系统在37 lp/mm的MTF>0.6，满足成像质量要求；确定系统杂散光成因，利用物像共轭关系设计相应的杂散光抑制结构，在千级超净间对Lyot星冕仪进行杂散光抑制水平检测。实验结果表明：系统主要杂散光得到了有效抑制，系统的杂散光抑制水平在2.5Rj处为10-5量级，满足地基观测木卫一等离子体环要求。

光学系统性能的有效实现不仅依靠成像质量的设计结果，还受制于光学加工公差、装配公差、环境公差等多种公差的可实现性。具备低误差敏感度特征的光学系统，公差精度要求宽松，可以更好地抵抗误差引起的像质退化，在降低制造成本的同时，有效地提高了光学系统的可实现性，因此降低误差敏感度是光学系统设计应考虑的重要环节。本文分析了光学系统误差敏感度研究现状，总结了典型的光学系统降敏方法，并对这些方法在光学系统设计中的应用进行概述。最后，对光学系统低误差敏感度设计方法的未来发展进行了展望。

三镜反射式光学系统由于具备同时校正球差、彗差与像散三种像差的能力，可以实现较高的光学性能，基于其反射镜数量少、装调复杂性可接受等特点，在光学成像领域有着广泛的应用。特别是离轴三镜反射式光学系统，凭借其无孔径遮拦、可实现大视场等诸多优势，在高性能光学仪器装备中占据着重要位置。文中以典型的三镜反射式光学系统发展为主线，全面介绍了多种类型的三镜反射式光学系统，涵盖同轴三反系统、两轴三反系统、离轴三反系统与无焦三反系统，讨论了其光学结构特点、结构关联与光学系统性能，并给出了设计示例，供光学设计领域研究人员共同探讨。

为了提高天问一号高分相机的星载接口力热性能，以相机基频和星载温度差为输入开展结构设计。首先，介绍了常见的光学遥感器星载接口的支撑方式，分析了火星探测高分相机对星载接口支撑方式的需求。其次，建立遥感器光学性能与星载支撑接口的对应关系，通过蒙特卡洛分析方法确定接口空间位置相对变化对反射镜的影响，识别出影响整机刚度和热稳定性的接口设计参数。然后建立不同接口方案的分析模型，确定了接口设计的最优方案。最后，通过试验测试获得了该星载接口方案下的整机基频和热稳定性。试验结果表明：采用运动学接口方案，整机一阶基频达到58 Hz，远大于卫星的基频，振动试验前后的传递函数分别为0.196和0.187；同时，在星载接口存在20 ℃温度差时，相机调焦前后的传递函数分别达到0.173和0.223。基于统计分析的星载接口分析与设计方法能够有效确定接口设计输入，运动学支撑解决了天问一号相机接口的设计难题，设计思路和试验结果对相同类型的载荷接口设计有较强的指导意义。

天问一号高分相机采用了离轴三反光学系统，指标精度高，结构复杂，研制周期短。鉴于上述要求，对离轴三反光学系统的计算机辅助装调技术进行了深入研究，并应用到天问一号高分相机主光机结构的装调过程中，利用计算机辅助装调技术使天问一号高分相机主光机结构的装调指标迅速收敛。各个视场的平均系统波像差优于λ/14，在特征频率57.1 lp/mm的平均传递函数0.381。此外，对主光机结构开展了一系列的环境模拟试验，包括力学应力筛选试验、高低温循环试验和失重环境适应性试验。在经历试验后，各技术指标均变化很小，基本满足总体设计指标要求。天问一号成功发射，传回了清晰的火星照片，进一步验证了计算机辅助装调技术的装调效果。

光学系统的最终性能不仅取决于其理论设计结果，更重要的是取决于光学系统建造过程中对于面形加工、装调位置和系统稳定性等误差因素的控制。为了探究反射式光学系统误差敏感度的影响因素及规律，以同轴两反式光学系统作为研究对象，提出了采用失调误差引起的光程变化量作为光学系统误差敏感程度的评价标准，理论推导了由反射镜位置失调因素引起的光程变化量的数学解析表达式，通过一套标准Ritchey-Chretien系统，并应用光线追迹的方法，计算了在各项失调扰动情况下所产生的实际光程变化量，与理论推导值对比，相对误差均在1%左右，证明了光程变化量理论表达式的正确性。在光程变化量理论研究的基础上，提出并建立了基于光程变化量作为评价准则的同轴反射式光学系统降敏设计方法。以一个焦距为5 600 mm的同轴两反系统为例，通过15轮迭代优化，设计了同时满足光程变化量与波像差指标的光学系统，并通过光程变化量与波像差改变量的关系，验证了光程变化量作为敏感度评价标准的正确性和降敏设计方法的有效性。

为了实现对光学系统杂散光抑制能力的定量评价，开展了10⁻⁹量级高灵敏度点源透射比测试设备的研究和实验验证。采用脉冲光源、脉冲探测的新测量方法，在保证测试系统具有高灵敏度测量能力的同时，简化了微弱光电信号探测组件的复杂程度，建立了一套最大测试口径为600 mm、测试波长为527 nm的点源透射比测试设备，并利用该设备测试了一台250 mm口径空间光学相机的点源透射比。实验结果表明：60°入射角度时的点源透射比测试结果为1.68×10⁻⁹。证明该设备的测试误差在10⁻⁹或更低的量级，具备10⁻⁹量级高灵敏度点源透射比测试能力。本文研究可以为天文望远镜、星敏感器、空间目标监视载荷等多种类型的光学仪器提供杂光抑制性能评估。