本发明提供一种全反射光学系统，包括沿光轴设置的第二反射镜、第一反射镜、第三反射镜以及焦平面，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均采用非球面，第一反射镜和第三反射镜共轴设置，第二反射镜和焦平面分别位于第一反射镜的两侧，第一反射镜上设有孔径光阑，外界光束由孔径光阑入射至第一反射镜，经过第一反射镜反射后照射在第二反射镜，经过第二反射镜的反射后照射在第三反射镜，经由第三反射镜反射回第二反射镜，经过第二反射镜再次反射后达到焦平面，其中第二反射镜对外界光束进行两次反射，在不增加反射镜个数的前提下，起到了光路折叠的作用，简化系统结构，还可以缩短光学筒长，降低了装配难度。本发明还提供一种空间遥感光学设备。