为提高高光谱遥感仪器的幅宽和减小其体积，重点研究适用于宽幅高光谱遥感应用的长狭缝、紧凑型Wynne-Offner光谱仪.通过追迹主光线，导出像散表达式，分析Offner装架和Wynne-Offner光装架的像散特性.指出Wynne-Offner装架的消像散圆域大于Offner装架的消像散圆环域，前者更适用于长狭缝.给出两个光谱仪实例，狭缝长度均为70 mm，分别工作于0.5~1.0 μm和1.0~2.5 μm波长范围，成像质量接近于衍射极限，光谱畸变可忽略，具备狭缝长、结构紧凑、像质优的特点，适用于宽幅高光谱遥感应用.

提出一种基于主成分分析法的装调方案;对理想的离轴三反系统的灵敏度矩阵进行处理,以获得系统失调量对残余像差敏感度的权重值,通过去除敏感度低的调整量来制定合理的装调方案;基于逆向优化法的计算机辅助装调技术原理,进行模拟装调及装调方案的验证。结果表明:采用所制定的装调方案可使装调精度达到10 ^-7量级,调整量从11个减少到6个,装调难度降低,光机结构的稳定性得到提高。

为了解决离轴虚像系统中像散对清晰度的影响问题,提出了一种在全视场范围内消像散的反射面设计思路,并给出了基于微分方程的消像散反射面的设计算法。设计的消像散面型可以有效地校正系统各视场的像散,减小弥散斑尺寸。将消像散面型应用在视场为60°×40°的离轴虚像系统中,各视场弥散斑半径均小于艾里斑半径。将采用消像散反射面的设计结果与相同参数下采用球面和轮胎面时进行对比,可以发现,在采用消像散反射面的设计结果中,弥散斑均方根半径和像散绝对值小于全视场范围内采用球面时的20%,且小于边缘视场内采用轮胎面时的20%。

为了保证某离轴三反光学系统空间相机光机结构的高稳定性与高准确度, 针对该光学系统中次镜、折叠镜组件轴向空间位置接近的特点, 设计了次镜、折叠镜组件一体化的前框架结构, 并提出了一种结合了自由模态与约束模态的拓扑优化方法来优化相机的前框架结构.将优化后的前框架模型带入整个相机, 并对整机进行有限元分析.结果表明, 光轴呈水平状态, 次镜、折叠镜相对主镜的倾斜分别为9″与22.4″, 次镜相对于主镜的偏心为0.021 mm, 均在光学系统公差要求范围内.此外, 对前框架结构进行自由模态分析与试验, 结果验证了优化方法的正确性.所提出的拓扑优化方法可以有效避免基于约束模态拓扑优化方法约束点之间不存在联系的缺陷, 能够为高分辨、宽视场空间相机光机结构的设计提供参考.

针对Czerny-Turner结构光谱仪宽波段像散很难同时校正的不足，提出了一种复合方法校正像散，即在一阶消像散方法校正宽波段像散的能力达到极限时，加入柱镜，利用柱镜的相反像散变化趋势，进一步补偿光学系统的剩余像散，推导出复合方法的边缘波段像散补偿公式。应用复合方法，设计了1个近红外900~1700 nm的消像散Czerny-Turner结构。Zemax的仿真结果表明，全波段全视场均方根（RMS）值均小于14 μm，调制传递函数(MTF)达到0.7以上，全波段的光谱分辨率为1.5 nm。保证了在高光谱分辨率的情况下，实现了近红外800 nm宽波段像散的同时校正，避免了能量的横向扩散。该设计方法同样适用其他波段的结构设计，对宽波段消像散型光学系统的设计具有指导意义。

为了提高大口径望远镜的装调效率，对具有三点支撑变形的大口径三反射消像散望远镜在装调过程中的像散场分布进行了研究。采用矢量像差理论和孔径坐标变换，分析了在孔径光阑和非孔径光阑处反射镜存在三点支撑变形时，像散在望远镜失调和非失调情况下的分布特性。最后，在光学设计软件CODE V中利用条纹Zernike多项式Z10和Z11来模拟反射镜三点支撑变形引入的面形误差，通过实际光线追迹对像散场分布特性进行了验证。分析结果表明：当三点支撑变形位于主镜(孔径光阑)上时，不会影响望远镜的像散场分布；当三点支撑变形位于次镜或三镜(非孔径光阑)上时，将会产生与视场共轭成线性的像散项，导致望远镜在失调或非失调情况下的像散出现不同的分布特性。在最终装调时，通过分析像散场的分布可对望远镜的装调状态进行定性的分析，从而为大口径三反射消像散望远镜的装配提供指导。

三阶彗差是同轴三反消像散(TMA)光学系统镜面失调产生的主要像差之一。使用矢量像差理论分析了同轴TMA光学系统失调后彗差变化特性，给出了次镜和三镜像差偏移矢量的求解方法及公式，并推导了系统次镜和三镜失调导致的彗差增量系数公式，证明了三镜在X-Y 平面内偏心产生的彗差可以通过一个固定比例的次镜偏心量完全补偿，提出了次镜对偏心三镜的消彗差补偿条件、次镜和三镜各自的X-Y 平面偏心无彗差条件。计算了同轴TMA光学系统中三镜失调的两个例子，在消彗差补偿条件下，经过次镜主动偏心补偿，全视场均值彗差增量仅为未失调前的0.6%和1.9%，证明了消彗差补偿条件的正确性。

针对采用离轴三反(TMA)光学系统的空间相机中光学系统主镜和三镜的轴向位置接近的特点, 提出了主三镜共基准一体化结构来提高光机结构的精度和稳定性。利用一块高刚度、高度轻量化整体背板替代分离的主镜和三镜背板, 以实现主镜和三镜光学加工、检测和装调的基准统一。由于此整体背板同时也是主框架的组成部分, 故降低了结构整体重量, 提升了光机结构动/静态刚度。对采用主三镜共基准一体化结构的空间相机进行干涉检测, 结果表明主镜和三镜的各视场镜面面形最大分别为0.024λ和0.013λ, 均满足光学公差要求。对铝结构样机进行了多入多出(MIMO)自由模态测试, 测得一阶模态频率为48 Hz, 对应原理样机一阶约束模态频率114 Hz, 满足结构刚度要求。在离子束光学精加工过程中, 通过分时对主镜和三镜进行加工, 省去了主镜和三镜分离结构加工用的散热时间, 加工效率提高了约50%。主、三镜共基准一体化结构的应用提高了离轴TMA空间相机的性能和光学精加工效率, 为高分辨力宽视场空间相机的光机结构设计提供了参考。

遥感相机在轨运行过程中要面临复杂的空间热环境,为了保证相机的成像质量,必须对其进行有效的热设计。介绍了遥感相机热控设计的主要理论,分析了某大型三反离轴相机的特殊性对热设计的影响及对策。总结了相机的在轨温度情况,并采用热模型仿真的方法获取了无温度遥测位置的温度结果。在轨分析结果表明,相机关键部位的温度均在20 ℃±2 ℃的温度指标范围内,证明了相机热控设计的正确性。