针对某空间天文相机对轻量化、光学效率、杂光抑制与探测能力的需求，设计Φ450 mm口径碳化硅主反射镜，镜体轻量化率超过70%；选取线膨胀系数匹配的殷钢材料，设计基于两脚架柔性结构的侧面支撑以消除装配应力和热应力，通过渗硅改性获取高反射率光学镜面。光学加工完成后反射镜质量7 kg，反射率优于98%。在严格的工艺条件控制下，对反射镜组件进行精密装配。光学检测结果表明，反射镜装配完成后面形误差优于0.02λ RMS，与分析结果吻合。证明了空间天文相机主反射镜组件结构设计方案与装调工艺的合理性，满足空间天文相机光学设计要求。

设计了一种用于头盔式微光夜视仪的轻量化光学系统，包括物镜与目镜。为了在提高系统成像质量的同时实现光学系统的轻量化，使用非球面进行设计。首先理论计算确定物镜、目镜设计指标，选用合适的初始结构，之后引入非球面进行优化设计，最终得到了一个7片式的物镜系统和2片式的目镜系统，将物镜的重量从原有的35 g降低到了26 g；将目镜重量从原有的52 g降低到了20 g，使得一套夜视仪系统重量总共减少了41 g，镜头重量减少了47%，成功实现了系统的轻量化。

本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析，以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变，提高主镜面形精度。首先，对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点，从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式；然后，利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析，并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计；最后，对主镜进行重力、环境适应性和基频分析，验证设计的合理性。分析结果表明：6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下，随着辐照时间的增加，镜面温升值和P-V值逐渐增大；辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4 ℃，P-V值为155 nm，受镜体结构影响，辐照区内热畸变值不一致，差值约占镜面P-V值的1/6；为改善热畸变的不一致性，提高镜体强度，对主镜进行拓扑优化设计，优化后主镜轻量化达54.5%，辐照区热畸变一致性好，镜面热畸变量减小了近1/3；不同俯仰姿态下，主镜重力变形值基本相同，不足10 nm；环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移，稳态温差值越大，主镜面形P-V值和镜面平移量越大；模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。

针对非对称光学系统视场范围和出瞳直径较窄、光学结构复杂、制造成本昂贵、装配调整麻烦等问题，本文采用在系统中加入自由曲面反射镜的设计方法。首先，论述了双反射镜非对称光学系统的设计要求和工作原理。然后，分析了三反射镜非对称光学系统的离轴结构控制方法。最后，采用XY多项式自由曲面反射镜折叠光路、消除遮拦、扩大视场、校正离轴像差，设计出一款适用于头盔显示器的非对称光学系统。设计的双反射镜非对称光学系统的视场为60°×30°，出瞳直径为8 mm。在截止频率52 lp/mm处，全视场的调制传递函数值大于0.25，系统畸变小于5%，单目系统重量约为190 g。设计结果表明，该非对称光学系统的视场大小和成像质量均有所提升，实现了小型轻量化，可应用于头盔显示器。