微纳卫星在应急救援、军事快速侦察和气象及时预报等方面具有广泛的应用前景,其光学载荷应具有轻量化程度高、制造周期短、温度适应性好、成本低等特点。考虑到传统玻璃等陶瓷材料光学载荷在微纳卫星系统应用的固有劣势,研究人员提出了结构功能一体化设计的铝合金材料光学系统,可避免不同材料热膨胀系数不匹配造成的热应力和应变,实现无热化设计,同时轻量化程度高、可制造性好,成为新型微纳卫星光学载荷的可选方案。但由于缺乏对材料、结构等特性对光学系统性能影响的全面认识,目前铝材料光学系统的无热化设计仍停留在经验阶段,尚未掌握力学、热学负载条件下大膨胀系数镜体结构变形规律及其抑制方法,急需开展此类新型光学系统的光机设计与超精密制造研究。本文从微纳卫星光学载荷的需求出发,设计了铝材料光学系统,并对其进行光机设计,以轻量化率、镜体结构刚度、温度稳定性和可制造性等为约束条件进行了设计优化,用光机热集成的分析方法实现了成像效果的综合分析和预测,用超精密加工和检测的方法完成了镜组研制。论文主要研究了以下几个方面的内容:(1)设计了满足微纳卫星应用需求的铝材料光学系统,对其进行了热特性分析,得到环境温度变化对系统成像质量的影响;对比分析了碳化硅+殷钢组成的光学系统热特性,进一步阐释了铝材料光学系统的无热化优势;对光学系统进行公差分析和制定,为后续的光机结构设计和超精密制造提供指导。(2)对光学系统光机结构进行设计和优化,着重对一体化主镜的支撑形式、轻量化、可制造性等进行分析和优化,并利用光机热集成分析的方法对光学系统的温度适应性和成像效果进行了综合分析,实现了整机成像性能预测。(3)研制了光学系统实验样机,用单点金刚石车削的方法实现了一体化主镜、次镜的超精密加工,用计算机全息检测的方法实现了非球面镜体面形误差的检测,并对装调完成的光学系统进行了波像差测试,成像实验得到了清晰的图像。