随着空间遥感技术的飞速进步,空间相机正向着高分辨率、大视场、轻量化和多功能性的方向发展。这就要求空间光学系统同时具有大口径、长焦距、宽视场、结构紧凑、高像质和低畸变等多项特性。离轴三反光学系统具有无色差、无遮拦、视场大、像质高、方便光路折叠的优势。然而,对光学遥感器成像性能和质量的要求不断提高,给传统的非球面光学系统带来了巨大的挑战。自由曲面光学元件具有非旋转对称的面型,能够最大限度地提供优化自由度,提升光学系统平衡高阶和轴外像差的能力,扩宽系统的有效视场,同时可以使系统的结构布局更加灵活。然而,自由曲面的检测一直是限制其应用和发展的瓶颈。计算全息元件(Computer-Generated Hologram,CGH)可以通过衍射产生任意形状的波前,其在零位干涉补偿检测中的应用具有高效率和高精度的特点。本文针对高分辨率、大视场空间遥感器,完成了光学系统的选型、系统参数的确定;基于初级像差理论,介绍了离轴三反光学系统初始结构的计算过程;优化设计得到了焦距2000 mm、入瞳直径235 mm的离轴三反光学系统;对该系统的成像性能进行了分析,并通过蒙特卡洛分析方法验证了系统的公差分配结果。在此基础上,对球面次镜离轴三反光学系统的初始结构进行了计算;介绍了Zernike多项式自由曲面,利用Zernike多项式的像差对应特性,对系统进行优化设计,补偿了轴外像差并在大视场范围内校正了系统的畸变,得到焦距同为2000 mm,入瞳直径同为235 mm的含自由曲面的离轴三反光学系统;对系统的成像质量和公差进行了分析。通过将常规和含自由曲面的离轴三反光学系统进行综合比较,可知,后者具有极高的光学性能,在视场、畸变控制等方面具有明显的优势和特点。针对设计的大口径离轴自由曲面,介绍了基于计算全息的干涉补偿检测方法。阐述了CGH的检测原理、分类及特点,并对相关的关键参数进行了分析;设计了自由曲面主镜的CGH检测方案,完成了相位函数的求解,并通过Zemax仿真验证了设计方法的正确性。本文针对大口径、长焦距、大视场空间遥感器提供了一个可靠的设计实例;为含自由曲面的离轴三反光学系统提供了有效的设计思路;为大口径离轴自由曲面的CGH零位补偿检测提供了详细的设计方法,具有较强的应用价值。