目的是完成长焦距大视场离轴三反空间光学系统的有效设计以及研制,进而对自由曲面光学数理模型进行描述。完成立足于自由曲面的离轴三反光学系统的设计分析。其焦距大小为4500mm,同时其成像视场角大小为11°。同时还直接对比分析了传统离轴三反光学系统跟次镜为自由曲面离轴三反光学系统关键性能。光学系统中设计中需要从根本上使用自由曲面设计的光镜,促使光学系统像差平衡能力得到基础的保证。最后选择最佳的方案,相对孔径大小为D/f=1/9.0,促使光学自由曲面离轴三反光学系统得到有效设计。

基于离轴三反光学系统（TMA）的一般设计方法,总结了设计要点。以两个基于三反光学系统的设计为实例,阐述了通过合理地安排光学结构、将次镜设计为球面反射镜、主镜和三镜在球面基础上改变高次非球面系数等,可使离轴三反光学系统的设计结果接近衍射极限,传递函数在50lp/mm时都接近0.6,Strehl率由通常的0.91提高到0.93。与传统离轴三反系统相比,相机加工公差和面形加工公差从原来的λ/50放宽到λ/40,主、次、三镜的装调公差放宽了4倍。文中的设计降低了相机的加工及装调难度,有助于系统光学特性实现衍射极限,为三反光学系统的广泛应用提供了借鉴和实用参考。

对有中间像的长焦距离轴三反系统的杂散光特性进行了模拟分析,并提出了相应的杂散光抑制方法。通过正追和倒追的分析方式,确定系统杂散光的主要来源,找到系统的重要面;根据分析结果,提出了杂散光抑制措施,用系统重要面的变化定性评价杂散光的抑制效果。分析结果表明,采用抑制措施后很好地抑制了系统的一次散射杂散光。用点源透过率（PST）定量评价光学系统的消杂散光能力,分别计算东西、南北方向离轴角为±40°的PST值,并结合光机系统的应用环境对系统的杂散光抑制能力进行了定量分析。

为了实现某长焦距大视场轻型离轴三反空间相机的光机结构设计，基于SiC材料空间反射镜，采用适合于轻型高分辨空间相机的桁架结构，对离轴TMA系统的支撑结构进行了静力学、动力学建模，优化了结构形式。采用光机热集成分析方法，指导、评价和优化相机光机结构设计过程，提高结构固有频率，增强相机热稳定性适应范围。相机结构设计基频〉93 Hz，在±4℃均匀温变工况和重力作用下，相机光学系统传递函数（MTF）达到0．37；反射镜组件加速度响应最大放大倍数〈6倍。结果表明，采用该方法设计的相机结构固有频率高，重力变形、抗振性能、热变形等方面均能满足使用要求。