随着光电成像技术的发展,为了获取更大空间范围以及更多空间细节的目标图像信息,光电成像系统逐步向大视场和高分辨率的方向发展。对于单一的光学系统,总信息量由成像芯片的像元数决定。总信息量一旦确定,视场与分辨率就成为一对相互矛盾的参数,即不能同时提高光学系统的视场和分辨率。一般而言,大视场的光学系统往往分辨率比较低;高分辨率的光学系统往往视场比较小。因此,解决视场与分辨率之间的矛盾,同时实现大视场与高分辨成像是目前光学领域的研究热点。大视场高分辨的光学系统在航天遥感、航空侦察、安防监控、天文观测及文物保护等军事和民用领域具有广泛的应用前景。论文以大视场高分辨率成像为研究主题,以离轴三反光学系统、离轴四反光学系统、同心多尺度光学系统及曲Petzval像面光学系统为研究对象,主要进行了以下四方面的研究:1)离轴三反光学系统设计研究。以反射定律和正弦条件为基础,推导了一组用于求解同轴三反初始结构的Wassermann-Wolf(W-W)微分方程。利用该方程解算出次镜和三镜的面型数据点,通过多项式拟合W-W曲面,获得了像质良好的同轴三反初始结构。以此初始结构为设计起点,应用偶次非球面,设计了一款焦距为1.2m、视场为18o?4o、F/4的离轴三反光学系统。系统各个视场的调制传递函数在50 lp/mm处均大于0.5,成像质量良好。此外,系统的主镜为二次曲面、次镜和三镜为非球面,3个反射镜均无偏心和倾斜,有效地降低了制造成本和装调难度。2)离轴四反光学系统设计研究。研究了离轴光学系统的矢量像差理论和各像差的节点特性。对同轴四反光学系统进行了像差分析,建立了由带权重的初级像差系数和结构布局约束条件所组成的目标函数。通过遗传算法对目标函数进行优化求解,解算出同轴四反光学系统的结构参数,获得了像质良好和特定结构布局的同轴四反初始结构。选择遮拦比最小的初始结构为设计起点,应用Zernike自由曲面,最终设计了一款焦距为1.2m、视场为30o?4o、F/4的离轴四反光学系统。系统结构布局紧凑,各个视场的调制传递函数在40 lp/mm处均大于0.52。3)同心多尺度光学系统设计研究。同心多尺度光学系统可以解决视场与分辨率之间的矛盾,是目前同时实现大视场和高分辨成像的最佳手段。研究了同心多尺度设计理论,推导了同心球透镜的焦距公式、消色差条件及消球差条件,分析了同心球透镜的像面移动问题。对中继微相机进行了像差分析,研究了微相机的视场重叠及排布方式。基于同心多尺度设计理论,设计了一款焦距为35mm、视场为120o?60o、F/2.8的十亿像素同心多尺度光学系统。各视场的调制传递函数在270 lp/mm处均大于0.3。该光学系统由104个微相机组成,微相机按照基于正二十面体的最密方式排布,填充率可达76.6%。最后对同心多尺度光学系统进行了公差分析。4)曲Petzval像面光学系统设计研究。为了更精确的评估曲面像面光学系统的畸变,提出了弧长畸变的概念。通过编写宏程序约束像面与Petzval面重合,设计了一款焦距为100mm、视场为40o、F/2.8的曲Petzval像面光学系统。系统各视场的调制传递函数在100 lp/mm处均大于0.69,相对照度>92.4%,弧长畸变<0.5%。与传统光学系统相比,曲Petzval像面光学系统具有结构紧凑、元件数量少、像差校正能力强、光焦度分配均匀及镜头对称度高等光学优势。曲Petzval像面光学系统为大视场高分辨率成像提供了新的发展方向。