高速相机在自然科学领域，军事领域，体育竞技，艺术摄影等方面有着广泛的应用。其中超高速数字分幅相机已成为激光物理学，弹道及射程研究，流体力学，非线性光学，光谱学，材料科学，爆炸过程研究中不可或缺的科研工具。鉴于其重大的实用意义，超高速数字分幅相机具有重要的研究价值。本文总结了高速相机的发展历程，并围绕超高速数字分幅相机，介绍了系统构成及各部分工作原理，在此基础设计一套超高速数字分幅相机光机系统，完成的主要研究工作及其创新之处如下：1、对系统设计要求进行了详细的分析，针对分析结果，确定了光学系统空间布局、系统缩放比、入瞳位置、系统后截距、像方数值孔径、配套物镜的焦距等参数。2、根据系统空间布局及相关光学参数，选择并确定了初始结构，使用CODEV软件进行系统优化设计，得到了一套系统光谱范围在350nm~800nm，系统总长360mm，系统后截距为155mm，系统缩放比为1.28，物方数值孔径为0.125，系统分辨率在50lp/mm以上，系统畸变在1%以下的非对称结构中继光学系统。通过与不同焦距物镜配合使用，可以在物距为500mm条件下实现对Ф100mm和Ф200mm范围的物方线视场进行观测。3、对系统设计结果进行了像质评价和公差分析，并使用LightTools软件进行三维建模，分析了系统分幅后像面亮度差异。结果表明系统设计结果符合要求，像面亮度差异在正负4%以内。4、根据光学系统设计结果和系统的空间布局，对系统封装所需要的机械系统进行了周密的设计，确定了分幅成像的机械固定方式，并使用三维绘图软件对系统的装配过程进行了模拟验证。5、按照机械软件模拟的装配过程，将加工好的光学系统和机械结构进行装配调试，保证物体经过系统后能够同时清晰成像在四幅像面位置，并且四幅像面关于中心对称。6、通过实验验证系统性能：系统像面畸变在1%以内，四幅像面亮度差在正负4.2%左右，像面分辨率在50lp/mm以上，以上结果基本符合软件模拟结果，满足系统设计要求。