离轴反射系统设计的关键环节是确定适用初始结构并进行优化，一般从同轴结构或者专利库中寻找相似的结构开始优化，这往往需要耗费大量的时间。以Seidel像差理论为依据，研究了一种获取离轴四反系统初始结构的设计方法。在设计之初引入视场偏置，通过追迹近轴光线给出五种单色像差的初级Seidel像差表示。以Seidel像差绝对值最小化作为目标函数，同时加入对光学和系统结构上的限制条件构建含有约束条件的单目标非线性优化模型，并通过粒子群优化算法进行求解。在此基础上，通过MATLAB调用CODE V API接口，判断此视场偏置情况下是否满足无遮拦的条件，并从中挑选出满足条件的初始结构。设计了一款焦距为1 200 mm，视场1.2°×20°，F数为6的离轴四反光学系统，系统结构布局紧凑，成像质量良好，各项指标均满足设计要求。

基于离轴四反的方案设计，从同轴反射系统的理论出发，结合高倍率，低波前畸变，以及高杂散光抑制比等特点对天琴望远镜的原理系统进行了优化设计。实现了在捕获±200 μrad视场内系统百倍的压缩倍率，其入瞳直径300 mm，波前误差优于λ/80。提高三四镜之间光线转折角度进行杂散光抑制，在保证高质量波前的条件下，其三镜的偏角优化结果为5.5°，且三镜为平面镜的引入，降低了后期加工装调的难度。为了对原理系统的加工装调以及杂散光抑制能力进行验证，建立了该系统下0.5倍的缩比系统，实现了缩比系统的波前误差优于λ/175。经公差分析，原理系统有90%的累积概率其波前误差优于λ/40，满足引力波望远镜的指标要求。

为满足红外探测系统对大视场、轻量化、低成本的需求，设计并研制了一款用于制冷型红外探测器的自由曲面离轴四反全铝光机系统。光学设计采用具有实出瞳的离轴无遮拦全反射式光路形式，并利用7次XY多项式表征各反射镜面型。在紧凑包络约束下，实现了6.25°×5°的视场角，全视场RMS几何弥散斑半径＜6.0 μm。各反射镜和支撑结构材料均选用6061-T651铝合金，各反射镜进行了柔性支撑设计，以降低装调时的刚性连接应力。采用激光干涉仪对光机系统波像差进行了测试，典型视场波像差＜RMS 0.7λ@632.8 nm。相比传统的离轴反射系统，文中系统采用“全自由曲面+全铝光机”新构型，能够用更紧凑的包络实现更大视场，且整机具有轻量化、低成本以及无热化的特点，在红外探测领域具有重要应用前景。

离轴四反系统是顺应多光合一机载观瞄系统未来发展的光机核心部件。该类型系统容易受到视场外部强杂散光的影响，系统杂散光的点源透射率（PST）一般要求不大于10⁻⁴量级，因此，对系统PST进行全方位扫描计算是分析和抑制其杂散光的关键。针对系统的非对称性，将PST作为随杂散光入射空间水平角和垂直角变化的二维函数，用以评价外部杂散光的影响，同时建立了水平角、垂直角与光机建模所需绕坐标轴旋转的过程量的对应转换关系，编制了仿真控制程序，通过调用LightTools软件实现杂散光的自动追迹和PST的二维扫描计算。对多光合一离轴四反系统，计算了整个入射半球空间内、所有方向的杂散光对应的PST分布情况，从而筛选出对机载观瞄应用影响较大的三路杂散光，寻找到其传输的路径和关键表面。基于此，设计了内部遮光罩和挡光环，优化系统内部的杂散光陷阱结构，使得系统的PST峰值由原来10⁻¹量级降低至10⁻⁴量级，在规避角范围以外小于10⁻⁷，可满足机载光电观瞄系统的使用要求。为离轴四反系统杂散光分析及抑制提供了依据。