自由曲面是一种非旋转对称的面型，具有很强的非对称像差校正能力，为了满足空间遥感光学系统大范围高分辨率成像的使用需求，应用自由曲面设计了一款大视场长焦距离轴三反系统。首先基于矢量像差理论直接获得了无遮拦的二次曲面初始结构，二次曲面初始结构通过反射镜的倾斜和偏心避免光线发生遮拦，再利用自由曲面对初始结构的像差进行校正，通过光学设计软件对二次曲面初始结构进行优化设计获得了最终的自由曲面离轴三反光学系统。自由曲面离轴三反系统的视场角为16°×1°，焦距为2 000 mm，入瞳直径为235 mm，调制传递函数曲线接近衍射极限，最大相对畸变为0.37%，光学系统在公差范围内具有良好的成像质量。

大视场离轴反射光学系统可以获取丰富的信息资源,是未来空间光学系统的发展趋势。自由曲面在离轴反射光学系统中的应用可以增大系统视场,但大视场自由曲面离轴反射光学系统初始结构较少,优化过程复杂,设计难度大。提出了一种大视场自由曲面离轴反射光学系统设计方法,首先基于矢量像差理论与费马原理直接获得成像质量较好的无遮拦自由曲面初始系统,再对其进行简单优化即可得到最终的大视场自由曲面光学系统。该方法可以降低大视场自由曲面离轴反射光学系统的设计难度。设计了一个大视场自由曲面离轴三反光学系统,光学系统视场为30°×3°,F数为2,验证了所提方法的有效性。

与非制冷探测器相比,制冷型探测器具有灵敏度高、响应速度快和探测距离远等优点,已被广泛应用于红外光学系统中。为了有效抑制杂散光,制冷型探测器冷光阑位置需要与光学系统实出瞳位置重合。本文提出了一种制冷型离轴反射光学系统设计方法,通过光瞳离轴和视场离轴实现无遮拦设计,利用矢量像差理论可直接获得制冷型离轴反射光学系统的初始结构。针对长波红外制冷型探测器,设计了一个自由曲面离轴三反光学系统,满足了冷光阑的匹配条件。其光学系统的F数为2.5,焦距为300 mm,视场角为3°×5°。使用自由曲面校正光学系统像差,光学系统成像质量好,反射镜无倾斜和偏心,光学系统易于装调。

针对传统红外连续变焦系统难以同时满足高变倍比和大相对口径的使用要求, 通过采用复合变焦光学系统结构, 增加传统红外连续变焦光学系统的变焦距范围和相对口径。基于长波红外320×240像元、25 μm×25 μm非制冷焦平面探测器, 设计了一款高变倍比大相对口径长波红外变焦光学系统,光学系统由一个连续变焦部分与两档变焦部分组成, 通过引入衍射光学元件校正长焦端色差, 工作波段为8 μm～12 μm, 焦距变化范围为-9 mm～-272.25 mm, F数为1.4。该系统具有成像质量好、变倍比高、相对口径大、导程小和凸轮曲线平滑等优点。

基于复合变焦光学系统原理,提出了一种新型复合变焦光学系统结构。该结构将连续变焦与两档变焦结合,可以增大变焦光学系统的焦距变化范围,实现更大的搜索范围和更远的跟踪距离。建立了新型复合变焦系统光学设计的数学模型。在该模型的指导下,针对像元数为320×240,像元尺寸为30 μm×30 μm的长波红外非制冷焦平面探测器,设计了一款新型复合变焦光学系统。该系统工作波段为8~12 μm,焦距变化范围为10~360 mm,在10~60 mm时,F数为2,在60~360 mm时,F数为4。对光学系统凸轮曲线和性能进行了分析。结果表明,该系统具有变倍比大、结构简单、像质好和变焦轨迹平滑等优点,验证了该数学模型的有效性。