推导了离轴三反光学系统的线性像散平衡条件, 在此基础上采用倾斜母镜光轴的方法设计了大相对孔径时大视场像散校正的斜轴离轴三反光学系统.系统视场为5°×5°, 相对口径为1/3.1, 口径为250 mm, 波段为400~2 500 nm.将该系统与相同光学参数的共轴二次非球面离轴三反系统和共轴高阶偶次非球面离轴三反系统进行对比.结果表明斜轴离轴三反光学系统所有视场的光学传递函数在17 lp/mm处均大于0.73, 由于反射面采用圆锥曲面, 其在偏轴视场成像质量方面有明显优势.对斜轴离轴三反光学系统的加工与装调进行了分析, 其公差较为宽松, 验证了其结构实现的可行性.

设计了一种用于空间遥感卫星的高分辨率离轴三反光学系统,该系统具有大视场、长焦距、高分辨率的特点,其焦距f为1 200 mm,F/#为10,水平视场角可达±2.5°、垂直视场角可达±2.5°。当卫星轨道高度为300 km,传感器像元尺寸为8 μm时,地元分辨率GSD可达2 m。通过对参数的多次优化,最终设计的光学系统在空间频率62.5 lp/mm处全视场MTF值均大于0.3,成像效果优良,接近衍射极限。

为实现场外车载光电跟踪仪的各光轴一致性检校,提出一种利用多光谱共孔径无穷远目标器、转光管和移动机构来实现对各光轴检校的方法,并对目标器进行了光学设计和总体结构设计,对影响检校的主要误差进行了分析。目标器总体尺寸为750 mm×120 mm×100 mm,采用离轴双曲面反射式光学系统,焦距为1 200 mm,孔径为50 mm,视场2°,分划板采用ZnS材料,光源采用溴钨灯,利用Zemax光学设计软件优化系统,实现焦面最大弥散斑为RMS 35.766 μm , 在空间频率5 lp/mm处,OTF均高于0.3,各项指标满足检校要求。

为了降低离轴三反光学系统加工和装调难度，提出了一种无遮拦的两反射镜三反射光学系统。将传统的离轴三反射光学系统中的主镜和三镜改进为一块非球面反射镜，即用一块镜面实现两镜的设计，这既能够降低光学加工的复杂度，同时也减少了装调的难度。根据三反射系统像差设计理论，推导出同轴两反射镜三反射系统的初始结构参数计算公式，得出了适用于该系统的求解方程组。设计了焦距1000 mm，F 数为10，全视场2°×0.4°，无中心遮拦的离轴两镜三反射系统，两反射镜面型均为二次曲面。从调制传递函数、点列图、衍射能量分布图可以看出，系统成像质量好，能量比较集中。整体系统体积小、结构简单，重量轻。

基于三反射镜的三级相差理论，通过自定义优化函数，并使用遗传算法寻找合适的三反射镜光学系统的初始结构参数，利用光学设计软件ZEMAX 对初始结构进一步离轴优化，设计出了视场角为18°×0.6°，焦距为1700 mm，入瞳直径为200 m 的像方远心离轴三反射镜光学系统。该光学系统无中心遮拦，成像质量接近衍射极限，适用于空间遥感领域。

随着电荷耦合器件(CCD)的不断发展，时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-CCD)已成为高分辨率、大F数、轻小型空间相机器件的首选。但受到光学系统畸变的影响，在TDI-CCD积分成像过程中，将不可避免地存在像移，并最终导致成像模糊，使图像调制传递函数（MTF）下降。分析了光学系统畸变引起像移的原因，并给出受畸变影响产生的MTF下降系数fMT,D关于光学系统畸变的表达式。从光学系统设计角度研究了限制fMT,D的方法，给出了光学系统设计结果。设计了焦距f′=9000 mm，F数为13.33，成像谱段为400~700 nm的偏视场同轴四反射低畸变、大视场光学系统。设计结果表明，在使用视场角2ω=2°范围内，波像差优于λ/21，受畸变影响产生的fMT,D为0.969，证明该系统很好地抑制了光学系统畸变对积分成像的影响。研究可为高分辨率、宽视场、大F数的轻小型空间相机的设计提供参考。