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航空摄影测绘是指将测绘相机搭载在航空器的工作平台上，在空中对需要观察的地表情况进行摄影测绘。航空摄影测绘技术以其时效性强、目标的影像直观、机动灵活、准确率高、针对性强等优点，引起世界各国的广泛重视，并广泛地在军民等各个领域发挥着极重要的作用。随着航空摄影测绘应用领域的不断拓展，航空测绘相机的光学系统设计指标也进一步提高，航空测绘相机的设计焦距越来越长，视场角不断扩大，因此系统像差急剧增大。采用传统消除像差的方法导致系统庞大笨重、成本昂贵，已不能很好的适用于高性能航空测绘相机的发展要求，必须采用其它方式对光学系统进行优化设计。本文以高性能的长焦距大视场航空测绘相机的光学系统为研究目标，采用双层衍射光学元件（Diffractive Optical Elements， DOE）进行光学系统的优化设计，实现传统透镜系统所不能实现的特殊功能，改善光学系统的成像性能。论文内容主要包括以下几方面：(1)确定设计方案介绍了国内外航空摄影测绘技术的发展现状，航空摄影测绘技术特点及工作原理，并分别研究了航空测绘相机种类以及各自光学系统的结构特点。并通过对指标要求的分析，确定了相机光学系统的基本结构，确定了设计方案。(2)设计衍射元件设计了双层衍射光学元件，并在论文对衍射元件的基本特性进行了系统的研究：衍射元件的色散特性及像差校正能力；衍射元件的衍射效率计算方法，包括一般衍射元件、谐衍射元件和多层衍射元件的宽光谱衍射效率；光束入射角对不同衍射元件衍射效率的影响，并根据入射角优化了衍射元件的设计，增大了入射光的角度。并在文中计算了元件的结构参数。(3)设计航空测绘相机光学系统对初步设计的光学系统进行了像差分析，使用双层衍射元件对光学系统像差进行了平衡校正，并通过CodeV软件对优化后系统的成像质量作了分析。模拟分析结果表明光学系统成像质量良好，结构小，重量轻，能够满足航空测绘相机的要求。