随着空间遥感技术的发展和遥感数据应用需求的不断提高,人们越来越倾向于获取覆盖更大空间范围和包含更多细节信息的光学遥感数据。此外,在战场、灾区和重大事故现场等对时效性要求较高的地区,为了持续获取更加全面和更加精确的光学遥感信息,需要对大范围区域进行多次高分辨率凝视成像或者进行视频拍摄。这就要求光学载荷在拥有长焦距的同时,还要拥有宽视场,即在子午方向和弧矢方向同时具有大视场。离轴反射式光学系统以其光路可折叠、无色差、不受光学材料均匀性和理化性质影响、无光线遮拦及对气压和环境温度不敏感等优势广泛应用于大视场长焦距空间光学载荷中。然而现有的长焦距离轴光学系统只能在弧矢方向实现大视场,在子午方向视场则较小。这使得系统通常只能以推扫模式成像,卫星一次过顶只能拍摄一幅图像,无法对大范围目标多次高分辨率成像或视频成像,从而无法获取目标的连续信息以实现对目标的动态进行侦查。针对现有离轴光学系统的不足,本文重点研究了基于矢量像差理论对离轴光学系统及各光学表面的像差节点位置进行控制以优化光学系统的方法。基于该方法,设计了两款宽视场长焦距离轴反射光学系统,并对其中一款进行了样机研制。本文主要研究内容可归纳如下:1.宽视场长焦距离轴三反光学系统的研究。首先,根据光学系统的技术指标对几种系统方案进行了对比,确定了视场偏置型离轴三反光学系统的设计方案。然后,基于微分方程法计算得到了系统的初始结构。该方法首先对系统进行光线采样,然后根据光线追迹数据,建立并求解基于费马原理和阿贝正弦定理的微分方程组,得到反射面上特征点的坐标值,最后对坐标进行拟合得到反射面的面型公式,进而得到系统的初始结构。之后对系统进行优化,在优化过程中,基于矢量像差理论将每个光学表面和整个系统的彗差和像散节点控制在视场范围内,以达到各光学表面的像差贡献量最大程度相互抵消的目的,同时对系统的结构加以约束。在设计的后期阶段,为校正剩余像差,引入自由曲面进一步深入优化,最终得到了一款焦距为2000mm,视场角为30°×12°,相对孔径为1/5的离轴三反光学系统。2.宽视场长焦距制冷型红外光学系统的研究。首先,根据整机的分辨率和幅宽等指标确定了光学系统的视场角、焦距和相对孔径等设计参数并基于这些参数分析了整机的探测性能,包括噪声等效温差和最远探测距离。然后,根据系统特征确定了二次成像光学系统并将孔径光阑置于三镜和像面之间以实现冷阑匹配的设计方案。之后基于三阶赛德尔像差理论、系统焦距和对孔径光阑位置的约束求解了系统的初始结构。在得到初始结构之后,对系统进行离轴处理,同时添加结构约束以避免光线遮拦。之后,开始对系统进行深入优化。为平衡系统各表面产生的像差,基于光阑离轴光学系统的矢量像差理论对各光学表面和整个系统的彗差和像散节点进行控制,并结合光学设计软件对系统的结构特征进行约束。最终得到了一款焦距为500mm,视场角为5.3°×4.4°,相对孔径为1/2的制冷型离轴三反红外光学系统。3.宽视场长焦距制冷型红外系统样机研制。首先,对系统进行了公差分配及公差分析,给出了各反射镜的加工和系统装调所允许的误差范围。然后,针对系统的光路排布特点设计了系统的机械结构,同时基于该结构设计了系统的遮光罩和内遮光板,并做了杂散辐射分析。之后介绍了反射镜的加工和检测方法及系统的装调方法。在装调完成后,测量了系统的调制传递函数。测试结果表明,本文设计的宽视场长焦距制冷型红外系统成像性能优良,满足实际使用要求。