随着光电成像技术的发展,光电成像设备的应用领域逐渐增多,但传统光电成像系统并不能完全满足新的需求,因此,现代光电成像系统需要具备更高的性能:更高(分辨率高)、更远(作用距离远)、更广(成像区域广)。传统光电成像系统通常采用增大相对孔径、增加焦距、提高光学系统复杂程度的方式以提高其分辨率、增加作用距离;且以减小焦距、增加光学系统复杂度的代价扩大成像区域。传统光电成像方式具有宽视场和高分辨率相互制约的问题,因此,传统光学系统并不能完全满足应用需求。针对传统光电成像系统的问题,本文基于多尺度光学系统设计思想,采用大尺度类双高斯光学系统与小尺度次级光学系统联合设计的方式,其中,类双高斯光学系统有效地扩大视场、增加目标信息的收集,次级光学系统进一步对系统像差进行校正、提高分辨率,以实现宽视场、高分辨率成像。本文通过对多尺度理论的分析建立不同尺度光学系统联合设计的思想,再对类双高斯结构、次级光学系统以及其两者整合的光学系统进行仿真,最后确定次级光学系统阵列排布,其主要内容如下:(1)多尺度成像理论采用光学系统性能饱和度以表征系统信息传递效率,以量化光学系统的成像性能,以说明本系统成像方式能够实现宽视场、高分辨率成像;并研究多尺度光学系统的设计原理,对主物镜光学系统和次级光学系统的像差进行分配,以明确类双高斯光学系统和次级光学系统的像差校正方向。(2)利用高斯光学和传统像差理论,对共心球透镜进行设计仿真,在共心球透镜的基础上进一步改进设计得到类双高斯结构,并通过对两种主物镜的成像质量、加工和装调难度以及经济效益等方面的对比,以确定主物镜的选型为类双高斯结构。(3)通过对次级光学系统的作用以及特点分析,确定次级光学系统的初始结构,并对其进行优化设计。再对次级光学系统与类双高斯结构进行联合优化设计,并根据物方远心原理对其整体光学系统进行改进,在一定程度上解决图像拼接的问题。(4)针对本系统的成像方式,设计一种多孔径阵列的计算方法,以计算得到阵列中的阵列曲率半径、次级光学系统的位置以及次级光学系统镜头的数目等参数,并针对本系统所成图像的特性,采用一种高速图像拼接算法,以实现子图像拼接以及验证多孔径排布的可行性。本文所设计的基于类双高斯结构的多尺度宽视场高分辨率光电成像系统视场约为40°,弥散斑半径小于2.3μm,且接近于艾里斑大小;场曲最大弯曲小于±40μm,畸变比率最大不超过0.05%,远心度小于0.05,微相机个数为504个,总像素约为20.5亿像素。该系统为宽视场高分辨率成像的发展提供了新的思路,并在边境防护、重点区域防护、航空测绘、海上搜救等方面有着广阔的应用前景。