空间目标主要包括在轨运行的卫星、空间残留的各种碎片和进入空间的飞行物,对空间目标的探测与识别主要依靠天基探测技术,其主要任务是捕获和跟踪重要的空间目标,进而获得目标的类型、尺寸和轨道参数等目标信息。为了加强对空间目标的监视能力,各航天大国正在积极建立空间目标监视体系。可见光探测作为一种相对成熟的手段应用广泛,美国、加拿大的空间目标监视体系也都将可见光作为主要探测手段。因此,适合将可见光探测与成像作为首先发展的天基目标探测手段。目前多数空间目标监视系统只能对少数目标进行成像观测,对其他目标依然只能是进行光点跟踪观测。由于光学分辨率方面的限制,系统并不能准确得到目标的轨道信息、目标本身的结构及表面材质信息。为能对探测到的目标进行良好成像,本文在探测光学系统基础上构建成像观测光学系统,设计了探测与成像一体化光学系统。即该一体化光学系统由探测光学系统和成像光学系统两部分构成,首先利用探测系统捕捉到目标时,再利用卫星或二维转台转动,使成像系统对准目标进行成像,进而准确识别目标。由于探测分系统和成像分系统F数差距较大,像差难校正。为能扩大视场,有效地校正系统像差,本文将拥有更多设计自由度的自由曲面应用到光学系统设计中。文中对自由曲面描述方式进行阐述,对比各类自由曲面的优缺点,选择出适合该一体化系统设计的自由曲面面型。其次为实现一体化设计,根据该系统的特点,本文首先确定了光学系统结构形式。根据任务指标要求,在确保系统视场捕获能力和探测能力的前提下,结合目标的特性、系统噪声及探测器性能参数等计算了各分系统的焦距、视场,确定了系统的有效口径。然后对探测与成像一体化光学系统设计方案进行确定,并将选取的自由曲面应用到一体化系统设计中,分别对探测分系统和成像分系统进行优化设计,优化完成后再将两个分系统进行拼接,最终设计实现了基于自由曲面的探测与成像一体化光学系统。并对一体化系统主镜和各分系统三镜的自由曲面面型进行拟合,计算自由曲面面型梯度。最后对该一体化系统进行像质评价和探测能力分析,结果表明,该一体化系统能量集中度高,成像质量良好,不仅能够对较远距离的空间目标实现较大星等的探测,而且对所探测到的目标成像分辨率高。