为了选择合适的低温红外目标模拟光学系统, 针对国内现有离轴三反射光学系统多存有弧矢视场较大, 子午视场很小的问题, 本文基于光学系统对称性法则, 设计了子午和弧矢都为5°, 波长为3~5 μm的矩形双向大视场离轴三反系统, 其焦距为400 mm, F#为8。利用光学系统结构参数和反射镜的非球面系数, 调整三镜的偏心及倾斜来消除畸变及其它像差, 系统光学传递函数在6.5 lp/mm时优于0.71, 全视场均方根波像差达到λ/250, 均方根最大弥散斑半径不超过7.0 μm, 达到衍射极限。另外, 系统在各个谱段全视场范围内的最大畸变量小于0.04%。设计的系统可用于红外及可见波段,成像质量均良好。

像旋转是影响和限制成像质量的一个重要因素。像面反射镜不随扫描反射镜同步旋转时，就会在焦平面上产生像旋转，导致地面信息丢失和图像分辨率明显下降。为了提高航空遥感相机的动态分辨率，必须对遥感相机进行像旋转分析。根据光反射矢量理论，对具有三反射光学系统的航空遥感器的成像特性进行研究。将整个遥感相机抽象为一个简单数学模型。在笛卡儿坐标系中，通过数学坐标变换的方法，对扫描反射镜沿俯角和位角方向的旋转对像质产生的影响做定量分析。扫描反射镜沿俯角方向旋转引起像旋转，沿位角方向旋转可以对前向像移进行补偿。通过分析，为设计一种对偏流角进行补偿的机构以及控制时间延时积分(TDI) CCD的积分时间提供理论依据。结果表明，该方法的同步旋转误差小于1/3 pixel，能够获得优质图像，从而提高整个系统的传递函数。

考虑空间环境中温度是光学系统成像质量的主要影响源，针对离轴三反射光学系统提出了一套由有限元分析到光学分析的热光学分析方法。在有效分析均匀温度场对系统影响的基础上，采用有限元分析得到温差影响下的镜面面形畸变，并用Zernike多项式拟合畸变面形；将Zernike系数代入光学设计软件CODE V，理论分析了温差影响下的光学系统成像质量，提出了光学系统温控指标。以温控指标为依据对光学系统采用主动热控进行热光学试验，所得试验结果均达到56 lp/mm下光学系统全视场MTF值>0.2的光学参数要求，实验结果证明了理论分析的准确性和温控指标的合理性。

从共轴三反射系统的基本理论出发，通过偏瞳和偏视场相结合的方式设计了一个圆视场离轴三反射光学系统，全视场为5°，焦距f=5000 mm。从像质评价结果可以看出，系统成像质量接近衍射极限，满足指标要求。在设计中考虑到了实际工程应用中的部分问题，可以为长焦距大视场航天相机系统设计提供参考。

给出计算机辅助装调中失调量与像差关系的数学模型，利用Zemax对折轴三反射光学系统进行失调仿真，得到失调数据，再对数据进行分析和处理，求得次镜和三镜的灵敏度矩阵，还对各种初级像差与各装调参量之间的对应关系及该系统的失调特性进行讨论。根据以上分析结果，最终确定了共轴三反射光学系统的装调方案。为了验证方案的可行性,在Zemax中对共轴三反射光学系统人为地加入不同的失调量后,按照确定的装调方案，利用建立的计算机辅助装调数学模型计算出失调量的大小和方向,再根据计算结果对共轴三反射光学系统进行调整,仿真结果和实际装调结果都证明该方案是可行的。

在同轴三反射光学系统基础上,采用视场离轴方式,设计了一个在地球同步轨道上对地观测的空间离轴三反射光学系统.该系统同时具有大线视场和大相对口径的特点,设计结果表明,成像质量达到了衍射极限.

地球静止轨道区域凝视成像监视的目的就是为了及时发现和生成地面目标特征和参数，光学成像遥感技术是现代对地观测的一个重要手段。通常长焦距、大视场遥感系统的光学系统设计是通过提高光学成像遥感器的质量、加长焦距、提高记录介质的分辨力、提高系统的传递函数等措施提高其性能的。介绍焦距为36 m，视场角达到0．75°的三反射式光学系统的设计过程，给出了设计结果。该系统实现了范围为90 km×90 km的瞬时对地扫描，摆动后能够对地面900 km×450 km区域实现凝视成像。

介绍了传统的二反射系统的杂光设计方法,研究了偏视场用三反射系统的杂光域与光阑位置的关系;指出了在线遮栏比较小(如1/4)和半视场角比较大(如0.77°)的情况下,设计时可不考虑用外遮光罩消一次杂光;给出了在不使用外遮光罩消一次杂光的情况下,决定主镜上内遮光筒和次镜上内遮光罩的长度的方法,此时系统线遮栏比为1/2.6;由于飞行方向与垂直方向视角不同,主镜上遮光筒和次镜上遮光罩的形状可以设计成非轴对称形状,并可使系统线遮栏比降为1/3.3;在此基础上提出了进一步减少系统遮栏比的方法,使线遮栏比降为1/3.6.