全景环带光学系统凭借周视范围实时成像的特点已在超大视场光学领域中得到了广泛应用。传统的全景环带光学系统将折射、反射面集成在一片块状透镜中，光线在其内部进行多次折、反射导致头部单元体积较大，同时红外透镜材料密度大、折射率温度稳定性差等特点也与光学遥感器轻量化、可靠性高的应用需求相矛盾。文章基于像差理论，讨论了全景环带两反射镜红外光学系统头部单元初始结构设计方法，将Q型（Q-Type多项式）非球面引入全景头部单元增加优化变量，用偏离因子因子${k_{{\text{RMS}}}}$数值表征非球面加工难度，设计了以两反射镜为头部单元的全景环带红外光学系统。该系统在奈奎斯特频率（20线对/mm）处调制传递函数优于0.5；全视场像元（25 μm×25 μm区域内）能量集中度优于65%，像质评价结果表明其成像品质良好。该设计在缩小系统体积、提高光学设计优化效率方面有很大的改进，满足超大视场实时成像的应用需求。

现有的反射面电磁成像系统体积庞大，无法满足机载、车载、无人机等应用平台要求。针对此类问题，研究了龙伯透镜的结构特性和成像特性，设计了大视场龙伯透镜电磁成像系统，利用空不变成像特性进行超分辨图像处理，实现了快速、大视场、宽频带、高分辨电磁辐射源分布成像。计算了口径300 mm带球核分层龙伯透镜参数，仿真了4～18 GHz龙伯透镜焦弧面场强分布，验证了龙伯透镜空不变的成像特性及其超分辨算法的有效性。实验对比了抛物反射面电磁成像系统和本文龙伯透镜电磁成像系统的体积、成像范围、源数目和分辨率，结果证明了本文系统的优越性，同样分辨率下，达到了方位角及俯仰角均为40°的大视场范围。

为了更好地实现多镜面大视场主动光学望远镜波前像差抑制、提升望远镜探测能力极限，本文基于望远镜视场边缘内置的错位型曲率传感器进行波前感知，并利用功率谱对波前感知结果进行分析，进而基于波前像差的空间频率特征进行调控。首先，基于复光场理论分析了非瞳面对系统波前调控的影响机理。其次，分析了本方法在多镜面大视场主动光学望远镜调控过程中的精度特性。再次，利用桌面实验对多镜面大视场主动光学望远镜调控的可行性进行了验证。最终，波前重建结果与理论波前相关性高于0.85。利用功率谱对各个视场的空间频率特性进行了分析，与单纯使用均方根对多镜面影响敏感度进行分析的方法相比，灵敏度提升了20%。

基于国产化的2倍迈克尔逊型干涉物镜组，优选配置0.5倍适配镜，对白光LED照明光源进行带通滤波参数的仿真估算和实验性能比较，构建了整套大视场白光干涉精密测量装置系统并进行了实验测试，通过白光干涉轴向响应实验曲线确定了中心波长。实验结果表明：通过光谱滤波获得了较为理想的白光干涉轴向响应曲线；系统的水平最大视场达到了14 mm；高度为2.04 μm和20.43 μm的标准台阶样品的测量结果分别为2.05 μm和20.47 μm，10次测量重复精度（标准差）分别为12 nm和16 nm。对粗糙度样板、微机电系统传感结构和半导体晶圆膜层进行了实测，表明所研制的系统装置在三维光学无损精密检测领域的应用具有可行性。

离轴反射系统具有不产生色差、无中心遮拦、结构紧凑等特点，但受其非对称结构影响，其视场常常为线视场。基于Zemax设计了一种大对称视场的离轴三反系统，视场为13°×13°，相对孔径为1/5，焦距为800 mm，波长为400 mm~1 000 mm，主镜和三镜为自由曲面，次镜为二次曲面。设计结果表明:对称视场离轴三反系统的点列图直径均方根小于5 μm，80%能量在一个像元内，光学传递函数接近衍射极限，各项指标满足应用要求。

甚宽视场相机作为高分六号卫星的核心载荷，具备65.6°视场、862 km超大幅宽和8谱段成像能力。针对其自由曲面离轴四反光学系统的结构特点和任务需求，采用复合型多层隔热组件进行热隔离、高导热率石墨膜进行热疏导及分级热控等措施进行了热控设计，实现了光机结构的精密控温和高热耗/热流密度电子学设备的高效散热，并利用有限元分析软件UG12.0/Space thermal仿真分析了相机高、低温工况下的温度；通过对比热分析、热试验及卫星在轨遥测温度数据，验证了该热控方案的实际效果。在轨遥测数据显示：光机结构在轨温度水平为19.7~20.3 ℃，温度梯度最大不超过0.4 ℃，CMOS焦面组件每轨摄像12 min的情况下，温度波动在19~24 ℃，均满足热控指标要求，遥测数据与热分析及热试验结果偏差小于±0.5 ℃。表明该相机热设计正确可行，热分析及热试验过程合理可靠。