基于激光雷达高程数据与平面影像数据融合的三维成像技术是三维遥感探测技术的重要发展方向之一。本文设计了基于此体制的共孔径三维成像载荷的光学系统。从受限的空间尺寸出发, 以此作为设计输入条件, 得到光学系统的初始设计参数, 设计了焦距为2 400 mm, F数为5.33的偏视场同轴三反系统。采用三镜前置的方式, 大大缩短了光学系统的轴向长度, 使光学系统的轴向长度仅为焦距的1/4.36, 在有限的空间内, 实现了长焦距、高分辨率的光学系统排布。采用偏视场设计, 避免了系统内的二次遮挡。整个系统的成像质量良好, 无色差, 畸变小, 光学调制传递函数接近衍射极限, 同时其相对孔径较大, 有效通光孔径较大, 能量集中度高, 在保证高地面分辨率的同时, 满足了激光接收端对能量的需求。

针对空间标准动态目标发生器的设计指标要求, 对卡塞格林R-C系统进行了改进, 通过在第2镜和像面之间加入一片双曲面镜, 设计完成了焦距为1 600 mm、相对孔径为1∶1.2、视场角为1°、工作波段在0.4 μm~0.7 μm和8 μm~12 μm的共轴三反射光学系统。设计结果表明: 该系统弥散斑RMS小于5 μm, 在可见光波段与远红外波段相应的空间频率处, 此共轴三反系统的调制传递函数值均大于0.7, 接近衍射极限, 满足系统对成像质量的要求。

遥感测绘应用要求光学系统焦距长、幅宽大、畸变低、体积小，并且可以实现与卫星平台的一体化设计。经过结构优选，采用改进型同轴三反结构，同时实现了长焦距、大幅宽和低畸变。由于二次遮拦和大视场的影响，一般的非球面优化设计成像质量不能满足要求。自由曲面的加入有效地增加了光学系统优化的自由度，经过优化设计后，光学系统设计传递函数大于0.418（72 lp/mm），最大相对畸变小于0.00145%，光学系统成像质量明显提高。利用计算全息（CGH）技术实现了自由曲面的检测与精磨加工，设计残余波像差均方根(RMS)值为0.007λ，峰谷(PV)值为0.027λ，满足自由曲面的面形公差要求。加工、装调后实测光学系统的实验室静态传递函数，弧矢方向最低静态传递函数为0.225（72 lp/mm），满足系统技术指标要求。