为实现对远距离紫外目标成像、探测、识别、告警、侦查等功能,机载成像系统应采用大口径、长焦距的紫外光学系统。由于反射式光学结构紧凑、质量轻、无色差、谱段宽等优点,在机载紫外成像光学系统中有重要应用。但随着视场的扩大,反射式光学系统的轴外像差会迅速增加。通过引入光学自由曲面,利用自由曲面的非旋转对称性和强大的面型表征能力对各个局部的子面型使用不同的面形表征方式,这使得自由曲面在全视场内有良好的像差平衡能力,可以明显提高像质。因此,立题开展相关研究与设计工作。论文研究了自由曲面、光学系统结构型式及选型、初始结构计算、优化设计等,主要内容如下:1)在自由曲面理论研究方面,阐述了多项式、径向基函数和NURBS曲面三种自由曲面的表征型式;分析了自由曲面的间接设计法及直接设计法;讨论了光学系统的评价方法中的瑞利判据法、点列图法和MTF曲线。2)在众多光学系统结构型式中,对与本论文有关的光学结构型式进行了分析、比较研究,得出了有用的技术方法,为后续设计研究提供结构选型依据。3)对于卡塞格林、RC和同轴三反三种光学系统结构型式,在给定相同技术指标的基础上,求解得到相应的初始参数,然后通过设计比较,检验自由曲面对光学系统像质的影响,选择出最优的结构型式,并对设计中优化函数的设置进行简要分析。4)研究了同轴三反结构初始结构的计算方法,通过Zemax软件对基于自由曲面的同轴三反光学系统进行优化设计。具体设计出了一种250mm口径、1000mm焦距的大口径、长焦距机载紫外成像光学系统。结果表明,所设计的机载紫外成像系统满足技术指标要求,结构简单,视场相对较大;通过公差分析,具有生产制造、装配可实现性。该论文对大口径长焦距机载紫外成像系统的深入研究及其技术设计,有其指导作用和意义。