二元光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支,是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。二元光学器件,亦称衍射光学器件,具有体积小、重量轻、易复制、造价低、衍射效率高、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特等优点,在超精密加工、光纤通信、图像处理、生物医学、国防军事等众多领域中正显示出前所未有的重要作用及广阔的应用前景。将二元光学技术应用于航天光学遥感系统,有助于减小系统的体积和重量,降低系统的成本,使光学设计者在材料的选择上具有更多的灵活性,满足现代光学系统设计的要求。并可借助现代先进的微电子、微机械技术和制作工艺,推进二元光学技术在我国航天光学遥感领域的应用。本文围绕混合光学遥感系统设计的相关理论,研究了复消色差折衍混合系统设计、消色差热差折衍混合系统设计、宽光谱超大孔径反衍望远系统设计以及混合光学系统性能分析等内容,主要研究工作可归纳如下:1、基于初级像差理论,提出了消二级光谱的方法。利用等效玻璃方法,分别设计了纯折射复消色差系统和基于二元光学元件的折衍混合复消色差系统。与折射复消色差系统相比,混合复消色差系统体积小、质量轻并且成像质量好, MTF函数值在0.75以上,二级光谱最大为0.025mm,校正能力比折射系统提高了近10倍。2、依据初级像差理论设计了纯折射消色差系统,然后详细研究了在折射系统中加入衍射光学元件,完成了消色差折衍混合系统设计。常温条件下系统成像质量非常好,MTF函数值均大于0.8。利用无热设计方法,使光学材料合成的总焦移系数与装配材料焦移系数相等,实现消热差。并提出使用最小二乘法对无热设计方法进行改进,使系统的性能在20°~100°温度范围内保持稳定。3、详细研究了望远系统的目镜、物镜和系统结构的有关设计理论,使用一种超大孔径平面透射型衍射器件作为系统的物镜,根据消色差数学条件和Schupmann系统设计了25m口径超大孔径反衍望远系统。该系统MTF函数值均高于0.4,弥散斑大小接近衍射极限直径。提出使用谐衍射透镜代替普通衍射透镜,进一步改善系统性能,使望远系统获得更宽的光谱范围。研究结果表明该望远系统无论在单一光谱、多频带光谱还是连续光谱范围,都能够获得接近衍射极限的成像质量。4、详细研究了混合光学系统的各种光学性能及评价因素。建立了一套比较完善的评价分析理论,较深入地分析了衍射元件的衍射效率,探讨了环境对光学系统的影响,最后对混合光学系统进行了公差分析。