全景环带成像系统以其视场大,体积小等优势,正受到越来越多的关注。通常的全景环带成像系统的视场约为360°×60°(0°～+60°),其视场集中在水平面的上方,无法实现水平面以下视场的监控。此外,通常的全景环带成像系统由于光线在其PAL部分内的多次反射有相关约束限制,使得PAL部分无法进一步缩小从而制约了其体积的进一步缩小。本文通过将具有特别大自由度的自由曲面引入PAL系统的设计,使得设计得到的PAL系统在扩大视场及缩小体积方面有特别大的改进,满足各种苛刻情况的使用要求。本文首先分析阐释了可见光大视场光学环带成像的设计理论。分别基于全球面PAL镜和自由曲面PAL镜,完成了2套可见光大视场光学系统设计方案,主要技术指标满足应用要求。基于平面圆柱成像原理利用全球面实现了240°视场的超半球成像,达到了水平360°,俯仰—30°～+30°成像视场的预定目标。为进一步减小畸变,提高CCD的利用率,基于自由曲面成像技术实现了超半球成像,通过在超半球成像中引入正畸变,有效消除了环带视场中的畸变,并对像质有进一步提高。此外针对长波红外波段,设计、仿真、出图、加工完成了一套全景长波红外无热化系统。利用全景环带成像技术实现了180°半球成像,达到了水平360°,俯仰0～+60°的成像视场。基于折/衍混合光学的理论及技术,及自由曲面设计技术,实现了系统消热差设计,并极大地缩小了系统的体积及重量。