在光学成像领域,光学系统获取空间范围的信息量由光学系统的视场角度和分辨率决定。为了能够获取更大空间范围以及更多空间细节的信息,光学系统一直朝着宽视场与高分辨方向发展。宽视场高分辨成像系统以其优越的观测范围和目标分辨力在众多民生、商业、科学研究、军事作战等领域有着广泛应用。然而对于传统光学成像系统,视场和分辨率是一对相互制约的参数,难以同时提高光学系统的视场角和分辨率。近年来提出的多尺度光学成像设计将光学系统成像分为两个部分:前级主物镜成像和次级多孔径阵列中继成像,该成像设计方法集成了物镜的大视场采集能力和多孔径中继成像阵列的局部像差校正能力,有效地解决了宽视场与高分辨之间的矛盾,从最本质的光学设计、几何像差校正目的出发实现宽视场高分辨成像,是目前实现宽视场与高分辨率成像的最佳手段之一。本文围绕多尺度成像设计展开了深入研究,并对目前多尺度光学成像系统存在的缺陷和不足提出了相应的解决方法与设计实例验证,主要开展的研究工作如下:(1)依据多尺度成像原理,计算了次级多孔径中继成像阵列分割视场的局部波像差,得出了中继成像阵列局部视场像差具有非旋转对称性,进而获得局部视场像差以及系统球差的校正方法。然后使用XY多项式描述的自由曲面面型仿真模拟了次级中继透镜多孔径阵列,验证了多尺度多孔径成像系统能够实现宽视场高分辨成像的合理性。(2)多尺度光学系统局部视场像差的非旋转对称性不利于系统结构的紧凑设计,为了实现光学系统局部视场像差的旋转对称性,将多尺度光学系统前级主镜设计为同心对称结构。通过对理想条件下没有几何像差的同心多尺度光学系统探测能力仿真分析,得出系统焦距、孔径等主要参数的设计方向。然后结合消像差理论计算指导,将同心对称主镜分别选型设计为折射式双层胶合球透镜和反射式同心球面镜,并组合次级多孔径中继阵列,完成具体的多尺度光学系统同心对称设计,系统结构紧凑,且具有大口径、长焦距、宽视场等成像性能。(3)为了提高同心多尺度光学系统清晰成像的范围,实现光学系统对不同距离位置的物体最佳聚焦清晰成像,对同心多尺度光学系统的调焦方法进行研究,分别采用了基于透镜移动调焦的方法和基于液晶透镜电控调焦的方法,仿真设计结果表明两种方法都能够提高光学系统清晰成像的范围,且基于液晶透镜电控调焦的方法具有紧凑、灵活、小巧的特点,相比于机械调焦方法降低了调焦工作量。(4)结合人眼视网膜中央凹成像思路,以同心多尺度3×3中继相机系统为基础,提出了一种宽视场成像与关注区域高分辨率扫描注视成像组合的新型成像系统模型,可以实现在广域视场范围内对感兴趣的目标区域进行高分辨动态扫描注视,使得整个成像系统采样的数据量显著降低,为后续的图像传输和处理减轻负担,有效地解决了成像系统中宽视场、高分辨率、数据带宽之间的矛盾。(5)设计并研制了一套具有3×3中继相机的同心多尺度光学系统原理样机,具体过程包括光机设计,公差分析,加工装配等,并完成对原理样机的成像性能实验测试。测试结果表明光学系统成像性能满足设计指标要求,验证了光学系统的设计、加工及装配的正确性。整个原理样机在系统结构、复杂度上较为简单,从而降低了系统的装配和操作难度,且系统体积、重量控制在一定范围内。