遥感卫星成像技术目前已在全球得到广泛应用,遥感系统的分辨率与其使用的光学系统的口径直接相关。美国国防预先研究计划局对大口径地球静止轨道遥感卫星提出MORIE(Membrane Optical Imager Real-time Exploitation)卫星研究计划,该方案拟采用薄膜衍射主镜来实现10米量级以上口径光学系统对地面的实时成像。采用薄膜作为主镜的优势在于其面密度极轻、生产工艺简单且对面形的公差要求低,所以具有很强的工程实施性。但其衍射特性导致的极大色差带来了很大的光学设计难度,因此目前国内外并没有具体的设计结果公布。本文利用谐衍射透镜作为系统的主镜,采用多波段成像的方式缩短不同波段的焦距差来降低色差,结合后续的Schupmann校正光路使得色差进一步降低,从而提升系统像质,使成像系统的波段宽度是MORIE计划指标的3倍、视场是其8倍。首先,本文研究了薄膜衍射成像系统的原理,分析了衍射透镜的成像原理,衍射透镜的色散和部分色散特性,衍射透镜的初级像差系数以及衍射透镜的衍射效率。在此基础上考虑到整体口径薄膜衍射主镜的实现难度,研究了拼接口径主镜的设计方式,并对比分析整体口径与拼接口径的薄膜衍射主镜的像质,确定了主镜面形的拼接方式。其次,由于薄膜衍射主镜的色差问题,研究了后续的消色差光路,采用矩阵方程推导其消色差原理,计算得到成像系统的初始结构参数。之后,在MORIE指标下对初始结构进行优化,得到符合指标要求的光学设计结果。在此基础上保持其他指标不变,扩大视场优化后,得到视场为MORIE指标8倍的光学设计结果,并对该设计结果的像质展开分析。最后,为了进一步扩大成像系统的波段宽度,研究了谐衍射成像原理。成像系统使用谐衍射主镜,选取衍射效率都达到90%以上的三个成像波段,在ZEMAX中采用多重结构进行光学设计,最终可以达到波段宽度是MORIE指标的3倍、视场是其8倍的设计结果,后续对像质进行了分析。