机载相机是获取地面信息的重要手段。现代战场形势瞬息万变,对机载相机的成像质量要求逐渐提高,指挥系统希望高效地对地面的可疑目标进行精确定位,这就要求机载相机具备宽覆盖和高分辨率特点。然而,宽覆盖和高分辨率机载相机,要求其光学系统须同时具有大视场和大口径,而几何像差随光学系统的视场和口径的增大而急剧增加,无法同时兼顾宽覆盖和高分辨率的成像需求,因此,同时具有大视场和大口径的光学系统一直是光学设计领域不断努力的方向。针对目前机载相机广域高分辨率实时航拍作业需求,本论文采用新型级联光学成像结构,研究设计了兼具宽覆盖和高分辨率的机载相机级联光学系统,由前置物镜和次级中继转像透镜阵列组成,主要开展的工作及创新点如下:1.基于透镜缩放法则,研究了级联光学成像系统减小几何像差、提高光学系统信息传递效率的优势及对于宽覆盖高分辨率机载相机光学系统的适用性;为获取宽视场高分辨率图像,本论文选择了大口径对称同心球镜作为级联光学成像系统的前置物镜,对称同心球镜由于结构的旋转对称性,其像面上的剩余像差只存在球差和色差,基于一阶理论和像差特性,计算了满足消球差和消色差条件的对称同心球镜初始结构参数,并对其进行优化设计;对称同心球镜在曲面上获得了目标场景的宽视场高分辨率图像,由于目前无现成的大规模曲面探测器能直接接收,进一步采用小口径次级中继系统阵列对该宽视场曲面像进行视场分割并中继成像至小规模平面探测器阵列上,考虑到小口径次级系统需进一步平衡宽视场曲面像的剩余像差,包括球差、色差及场曲,因此选择具有色差和场曲校正能力的Petzval结构作为次级系统的初始结构,考虑前置物镜系统与次级中继系统的光瞳匹配,设计时次级中继系统的数值孔径应等于前置物镜系统,且次级系统的入瞳位置应与前置物镜系统的出瞳位置重合。2.通过对前置物镜系统和次级中继系统进行联合优化设计,经像差补偿与平衡得到了视场角为132°、瞬时视场角为40 μrad、畸变小于0.1%、聚焦性能接近衍射极限、适用于宽覆盖高分辨率机载相机的级联光学成像系统,通过研究飞行高度分别在低空-中空-高空和超低空时,机载相机级联光学系统的宽视场中间曲面像面面型和位置对成像质量的影响,获得实现系统在不同飞行高度清晰成像的方法,开展了不同飞行高度的宽覆盖高分辨率机载相机级联光学系统的优化设计和像质评价,完成了适用于低空-中空-高空的七通道机载相机级联光学系统原理样机的研制。3.对研究的宽覆盖高分辨率机载相机级联光学系统开展了应用研究。针对大视场高分辨率高光谱成像需求,开展大视场推扫型机载高光谱成像系统的初步研究,提出的级联结构机载高光谱成像系统可望突破大视场、长狭缝、高空间分辨率、高光谱分辨率之间的相互制约关系,为大视场推扫型机载高光谱成像系统的设计提供理论参考。