无中心遮拦的离轴反射式光学系统具有能量集中度高、分辨率高、视场大等优势,在空间和航空遥感领域得到越来越广泛地应用。然而,非旋转对称的结构布局给离轴反射系统的装调带来了很大的难度,传统的依赖于人工经验的装调方法已经很难满足其位置公差要求,必须采用计算机辅助装调技术才能实现高精度装调。计算机辅助装调技术的关键在于对失调量进行精确求解,现有的失调量求解方法主要有数值化和解析化两类。数值化方法依赖于数学近似和优化迭代,失调量的求解精度受限于模型和优化算法的精度。解析化方法从像差理论的角度构建了解析化的失调量求解模型,理论上可实现失调量的精确求解,但是其模型比较复杂,应用范围受限。本文在深入研究离轴系统失调像差特性的基础上,通过构建Zernike矢量多项式,提出一种结合数值化方法和解析化方法优势的失调量求解方法,并将其应用于离轴三反系统的实际装调,具体研究工作如下:1、基于矢量像差理论,对离轴反射系统的失调像差特性进行了研究。在同轴系统矢量像差表达式的基础上,通过光瞳矢量的坐标变换,推导了离轴反射系统的矢量像差表达式,总结了光阑离轴的像差项转换规则,分析了光阑离轴以及元件的偏心、倾斜和平移失调对离轴系统的三阶像差(球差、彗差、像散)在全视场内的分布规律和像差节点性质的影响,揭示了各种失调自由度之间的耦合作用,为离轴反射系统装调方案的制定提供理论指导。2、建立了基于Zernike矢量多项式的失调量求解模型。构建了描述失调系统全视场波像差的Zernike矢量多项式,利用矢量像差表达式与Zernike矢量多项式的等价性,推导了以视场矢量和像差场偏移矢量为变量的Zernike系数矢量的解析表达式,在此基础上建立了解析化的失调量求解模型。为了规避复杂的函数运算,引入数值化方法来计算模型中的系数矩阵,详细阐述了失调量的求解流程。对一个同轴两反系统进行了仿真求解,验证了提出方法的有效性。研究了面形误差对失调量求解的影响,验证了所提出的失调量求解模型能够有效剔除面形误差的影响,实现失调量的精确求解。3、提出了一种Zernike多项式系数的光瞳离轴变换算法,在此基础上建立了离轴反射系统的失调量求解模型。推导了原始光瞳的直角坐标与子光瞳的极坐标之间的归一化坐标变换方程,结合Zernike多项式的极坐标和直角坐标表达,推导了同时考虑光瞳缩放、平移和旋转的Zernike系数变换矩阵。以36项标准Zernike多项式为例研究了不同光瞳变换模式下的Zernike像差项转换规则,并通过数值算例验证了所提出算法的准确性。利用对应于三阶像差项的Zernike系数变换矩阵,建立了离轴系统的失调量求解模型。对一个离轴三反系统进行了仿真求解,验证所提出方法的有效性。4、完成了一套离轴三反系统的光机结构设计和实际装调。基于精确约束理论,设计了一种非金属反射镜的支撑结构,该结构在精确约束刚体位移自由度的同时,释放了热变形自由度,实现了反射镜的高刚度微应力支撑,同时具有良好的环境适应性。在综合考虑结构稳定性、加工工艺性和装调便捷性的条件下,对主框架结构进行了设计。对整机进行了有限元建模和仿真分析,验证了在多种力、热工况下反射镜面形精度和位置精度的稳定性。根据光学系统布局和光机结构特点,设计了系统装调方案,详细阐述了反射镜面形检测、系统光轴标定、反射镜粗装调和精装调的全过程。利用所提出的失调量求解方法指导次镜和三镜的精装调,最终离轴三反系统全视场波像差RMS小于0.1λ(λ=632.8nm),安装探测器后的整机全视场调制传递函数优于0.1(@12cyc/mrad),外景成像效果良好。