星载激光雷达应用的发展提出了研制大口径接收光学系统的需求,以扩大探测范围,提高探测精度和灵敏度。传统的折射光学系统和反射光学系统因为系统质量、面形误差容忍度等方面的因素,在发展大口径应用上面临困难。而衍射光学系统则因为系统质量小、面形误差容忍度高等优势,成为发展大口径激光雷达接收光学系统的一个有竞争力的选择。针对激光雷达应用,全面讨论了衍射透镜的各项特性。衍射透镜的衍射效率与表面浮雕结构深度、透镜材料折射率、透镜f数、量化台阶数等多种因素有关,同时受到刻蚀深度误差和径向校准误差等加工误差的影响。衍射透镜的单色像差、色差和温度特性与普通透镜不同。前者对于轴上单色物点成像质量极好,轴外物点和宽光谱是其像差的主要来源。其在聚焦时会引入大的负色散。其光热膨胀系数仅与线膨胀系数有关,而与折射率温度系数无关。介绍了衍射透镜的加工和分片、折叠、展开等相关技术。衍射透镜的色差特性使衍射光学系统天然要求进行专门的消色差设计。实际衍射光学系统中,因折射材料引起的材料色散和因衍射引起的波长色散共同构成了衍射透镜的色差。两个符号相反,但后者在引入色散的能力上通常比前者高出1个量级。基于高色散材料的色差校正结构可以较好地补偿色散,但适用范围有限。基于舒曼原理的消色差结构则可以在理论上彻底校正色差,但是对于激光雷达应用而言,经典的舒曼原理消色差结构显得过于复杂。提出了只包含主镜、校正镜和聚焦透镜序列3个部分的简化消色差结构。通过设计验证了该结构良好的消色差能力,证明该结构比基于高色散材料的消色差结构适用范围更广。进行了1m口径、3.333m系统焦距、52μrad最大视场角的激光雷达接收光学系统的设计。所设计的光学系统接近衍射极限。在给出的公差分配水平和热环境下,系统可以保持接近衍射极限的成像质量。进一步设计了1m口径、8m系统焦距、1mrad最大视场角的光学系统。设计结果同样可以在给定的公差水平和热环境下保持接近衍射极限。这也证明了简化消色差结构的应用潜力。