为了在设计阶段预测光学系统加工装配后的像质并降低加工装配难度，提升设计效率，文中提供了一个高效的公差灵敏度降低方法。首先使用Zernike多项式量化像差，基于线性代数理论和Monte Carlo分析寻找引入扰动后系统的像差变化规律，通过降维后的像差场以及特征值分布确定主要引入像差；对系统制造过程中可能出现的失对称扰动和轴向扰动进行建模，基于节点像差理论描述扰动造成的引入像差，并通过统计分析确定关键表面；根据Zernike项与波像差的对应关系对像差空间进行变换，提出相应的评价函数纳入优化，进而抑制新像差的产生。将这一方法应用于两个不同的光学系统的设计，优化后预期加工性能（指定空间频率处98%置信度的MTF表现）分别提升了约68%和20%。与使用Zemax软件中TOLR操作数优化相比，结构1的优化时间由7 h缩短到36 min，并且在结构2的优化中成功实现了公差降敏。结果表明，该方法能够在提升效率的同时有效降低公差灵敏度。

双自由曲面光束整形系统可在不改变光束相位分布的情况下实现光束空间光强分布的按需调控，然而其需要设置虚拟平面来进行双自由曲面面形的求解。研究发现，传统单一虚拟面法在应用于结构紧凑和扩束倍率较大的系统时，存在设计不精准、整形效果差等缺陷，为此，提出了一种基于虚拟面迭代策略的双自由曲面光束整形系统设计方法。基于不同参数的同轴透射式和离轴反射式光束整形系统的数值仿真研究结果，表明该方法可有效规避传统虚拟面法的局限性。以将束腰半径为5 mm的高斯光束整形为半径30 mm的准直平顶光束的透射式双自由曲面光束整形系统为例，虚拟面迭代法所设计的光束整形系统将光强分布均匀性和能量利用率相对于单一虚拟面法而言分别提升了2.93%和8.93%。

随着用户对定位精度的要求越来越高，遥感器对视轴稳定性的要求指标也越来越高。随着相机系统复杂性的提高，部组件设计完毕后复算视轴稳定性的迭代设计方法越来越不可取。为将视轴稳定性指标分解到部组件，利用线性光学理论，以某相机为例，使用CODEV得到光学系统的视轴灵敏度矩阵。在此基础上，使用蒙特卡洛法将相机总体视轴稳定性指标分解到了各部组件。结果表明，若要视轴保持0.45″（CE90）的稳定性指标，主镜、次镜、三镜应分别保证最大平移不超过0.76、1.5、2.5 μm，最大角位移不超过0.1″、0.4″、0.8″。最后，根据设计后的相机模型复算了相机视轴稳定性，结果表明满足总体指标。该方法可为复杂遥感器设计之初的视轴稳定性指标分解提供参考。

相机是光学望远镜观测系统的重要组成部分，为了提高天文光学观测的精度和效能，开展了天文光学相机性能的检测技术研究。根据天文观测对光学相机的性能需求，给出了相机性能检测项目、检测方法、检测实验和数据处理方法，检测项目包括增益、读出噪声、满阱电荷、线性度、本底稳定性、像元响应不均匀性、暗电流等。基于这套方法，在实验室对sCMOS和CCD两款相机进行了实测，获得了相机的性能参数，结果显示，sCMOS 12-bit档位较CCD 1 MHz 4×档位，读出噪声低约1倍，暗电流高约17倍，动态范围低约3星等，像元响应不均匀性高约1倍，两款相机都具有较高的线性度和本底稳定性，该sCMOS具有辉光，不适合长时间曝光观测。该方法可以检测获得适用于天文光学观测的相机性能参数，便于开展天文实测工作，实现相同相机不同档位或不同相机之间的性能对比，定期对相机进行检测可以建立其全生命周期性能参数数据库，对相机的健康状态管理及观测系统故障诊断具有现实意义。

为了保证平背伺服摆镜的镜面精度和支撑刚度，设计了一种周边柔性支撑的方案，通过对摆镜与镜座粘接处机械结构进行切口处理形成铰链结构，降低结构刚度，减小结构变形产生应力的影响。由于摆镜形状、粘接点位置、柔性支撑结构参数较多，并且相互耦合，首先采用正交实验法对摆镜主要参数进行分析与优化，确定摆镜形状尺寸参数和粘接点位置，随后优化设计摆镜柔性支撑结构。仿真分析和实验表明，采用该周边柔性支撑后，摆镜组件一阶频率为446.66 Hz，在±5 ℃温升（温降）和标准地球重力共同作用下，最大面形误差RMS为λ/42.87，能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。随后使用 ZYGO 干涉仪在 (23±5) ℃ 温度范围内对加工装配后的摆镜面形进行检测，结果表明，摆镜面形PV值优于λ/5.1，RMS优于λ/43.28，满足 RMS≤λ/40的指标要求。实验结果表明，柔性支撑参数设计可靠，满足使用要求。

应某星载高精密遥感相机的功能指标要求，镜头及焦面探测器工作在不同温度，且存在较大温差，以致焦面探测器窗口玻璃的冷辐射使镜头最后一片透镜的温度梯度、面型参数等发生较大变化，不能满足光学系统成像质量的要求。为消除焦面探测器窗口玻璃的冷辐射对光学系统的影响，提出了一种于焦面探测器窗口玻璃与镜头间增加一层阻隔光窗的设计，用于将焦面窗口玻璃的冷辐射进行阻隔屏蔽，从而使光学系统的成像质量达到要求。经过建模仿真对比，证明文中的设计形式能够消除焦面组件与镜头组件间的辐射热差，提升了相机的成像质量，验证了该设计的正确性与合理性，为星载高精密相机消除部组件间的辐射热差设计起到了一定的指导作用。

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。

面向甚高精度微型星敏感器在商业卫星以及中低轨资源勘探卫星的实际应用需求，开展了甚高精度微型星敏感器光学系统设计与验证研究。基于甚高精度微型星敏感器姿态测量精度要求，完成了光学系统技术指标论证工作，具体包括：根据材料透过率与折射率，给出了适用于轻小化镜头的工作波段；根据恒星像点的弥散特性，给出了适用于高精度质心提取的高斯半径；根据黑体辐射定律与探测器参数，给出了适用于提取6.5等星时所需通光口径；根据恒星色温与星等之间的关系，并结合蒙特卡洛方法，给出了最佳工作视场大小。基于光学系统指标论证方法，确定了光学系统设计参数，并依次实现了光路设计以及像质分析，结果表明：在−40~60 ℃工作温度区间内，其星点质心偏移不超过0.05 μm，且弥散斑尺寸变化量不大于1 μm。基于设计甚高精度微型星敏感器光学系统，开展了标定测试、外场观星以及耐辐射测试，结果表明：系统标定精度为0.6″，外场测量精度为1.5″(3σ)，外场测量下可探测极限星等为6.51等星，累计60 krad(Si)辐射下可探测极限星等为6.01等星，进一步验证了所设计光学系统的精度以及可靠性，可为甚高精度微型星敏感器的工程应用提供理论基础与技术支持。