随着光学精密制造及检测技术的发展与提高,环形拼接非球面、自由曲面等系列复杂面型在空间遥感、红外侦查、头戴显示、超薄投影和手机摄像等成像光学系统设计中的使用逐步成为现实。复杂面型因具有更多的设计自由度和较强的像差校正能力,使光学系统可以兼具紧凑化、大视场、小F数和高像质等优势。然而,与平面、球面以及二次曲面等常规面型相比,复杂面型的优化设计缺乏理论支撑与方法指导,主要体现在光学系统初始结构的求解困难。本文将全视场光学系统看作多个单视场或小视场子系统单元的分段组合,由常规面型构成的无像差或衍射受限型经典结构直接生成各子系统单元。进一步地,将各子系统单元的常规面型分段拼接,并融合形成连续光滑的复杂曲面,以实现全视场光学系统初始结构的构建。基于上述设计思想,本文围绕含有复杂面型的成像光学系统的分段拼接融合型设计方法展开深入研究,主要工作如下:针对同轴和离轴两种系统结构形式,分别论述了采用分段拼接融合设计思想构建复杂面型的数学模型和融合机理。在同轴折反式系统中,分析了环形分段拼接非球面的数学描述和曲面连续光滑的约束条件。在离轴反射式结构中,比对了基于等光程原理、类阿贝球原理、特征光线追迹等分段融合类型设计方法,提出了利用离轴二次曲面几何体的无像差特性构建单视场分割子镜单元,再由各离轴二次曲面子镜融合形成自由曲面镜面的设计理念。以离轴反射单镜为例,仿真验证了采用多项式拟合离散采样特征点的坐标与法向数据,融合形成自由曲面面型表达式的方法。面向同轴成像系统大视场和紧凑化兼顾的需求,提出了一种基于前向视场和侧向视场分段拼接的双通道紧凑型成像系统结构,由鱼眼镜头构建前向视场通道,由全景环带镜头构建侧向视场通道,形成物方连续大视场。设置折反混合透镜实现前向和侧向双视场,以及折射面与反射面的分段拼接融合。为了提升非球面的优化效率和可加工性,引入环形拼接Q非球面表征折反混合透镜前后表面的面型。应用该方法设计了一款F数为3.4像方远心医用内窥物镜。镜头总长11.5 mm,最大口径5.5 mm,±80°连续视场范围内,截止频率处的MTF值高于0.4,相对照度优于0.65,光学畸变小于10%。针对离轴成像系统中无限远至有限距离的物像共轭成像关系,基于对离轴抛物面无像差成像特性的分析,提出了将离轴成像系统的全视场分割成多个单视场单元,由离轴抛物面子镜构建无像差成像单元结构,再由各离轴抛物面子镜融合形成单个自由曲面镜面的设计方法。以带宽400 nm,光谱分辨率0.1 nm的Czerny-Turner型成像光谱仪的设计为例,将光栅衍射的色散光束看作由多个单视场单元组成的线性视场。首先依据光谱仪设计指标,计算确立准直镜和会聚镜上各离轴抛物面子镜的反射焦距与离轴角参数;再以中心波长对应的离轴抛物面子镜为基准,调整更新临近波长离轴抛物面子镜的参数,减小重叠区域的矢高差,获取连续光滑的融合曲面;重复上述步骤,逐步更新各离轴抛物面子镜参数,扩展生长融合曲面,直至生成融合准直镜和会聚镜、覆盖全光谱范围的自由曲面反射镜。最终构建形成的光谱仪初始结构仅由自由曲面反射镜、针孔、平面光栅和探测器组成,各元件独立校正像差,具有像质高、易于装调的显著优势。进一步分析了多离轴抛物面子镜的分段拼接融合机制,针对自由曲面单反射镜构建时畸变校正与远心度控制的矛盾,提出了一种多面对融合型自由曲面两反成像系统设计方法,仍将全视场分段分割成单视场单元,由一对平面子镜和离轴抛物面子镜构成两反系统中无像差的单视场单元结构。多个平面子镜拼接融合形成自由曲面校正反射镜,有效降低成像畸变;多个离轴抛物面子镜拼接融合形成自由曲面主反射镜,实现光束的会聚和远心度的控制。应用该方法设计了一款两反式f-θ远心扫描系统,工作距44 mm,线视场±10.4°范围内,像方远心角小于0.2°,扫描误差不超过5μm。