空间遥感技术正进入高速发展的阶段,随着人们对卫星影像的分辨率和幅宽的要求越来越高,应用常规的球面或非球面的光学系统已难以实现这些性能。自由曲面以其非旋转对称的特性,复杂的面型变化及广泛的设计自由度,为光学系统设计提供了足够的优化变量。在离轴光学系统中利用自由曲面进行优化,可以进一步提升成像质量。而且目前轻量化、大视场、小F数等关键技术成为空间红外相机的核心竞争力,自由曲面将发挥至关重要的作用。本文研究的主要内容如下:本文针对目前空间红外相机视场较小的问题,设计了大视场离轴三反光学系统。分析计算了光学系统的具体指标和初始结构参数。从同轴三反光学系统出发,通过偏心和倾斜,将镜面倾斜与面形描述分别进行处理,优化后获得视场角30°×11°的Cook-TMA。从近轴像差理论出发,并分析各像差在离轴光学系统中的变化情况。阐述自由曲面的多种设计方法及其原理,并分析比较,选择合理的设计方案。本文采用Zernike多项式自由曲面优化设计系统的主反射镜面形,比较使用Zernike多项式自由曲面相对非球面在大视场离轴三反系统中的性能提升,分析自由曲面的应用优缺点。对光学自由曲面的加工工艺进行了分类介绍,分析了超精密数控加工的基本流程和加工、检测多次循环的必要性,建立了自由曲面加工方法选择的基本原则。从非球面的检测方法出发,论证了零位补偿CGH法的检测精度和合理性,制定了自由曲面检测方案基本路线。通过光线追迹获取主镜的离散点数据,并拟合得到相应的主镜面形。本文从自由曲面的相关特性出发,将其应用于离轴三反光学系统中,验证其扩展视场,矫正像差等优越性能。结果表明,自由曲面在提高离轴光学系统成像质量方面具有更大的优势。自由曲面系统平均传递函数值比非球面提升了0.09以上,接近衍射极限。成像点90%集中在艾利斑半径内,能量集中度在15μm直径内大于0.9。Zernike自由曲面在离轴三反系统中的应用效果良好,成像性能有了较大提升。