红外光学系统在**、航空航天、民用等领域应用越来越广, 系统面临的外界环境复杂多变。只用光学分析软件来评估系统性能的传统方法不仅无法综合考虑不同材料间耦合影响, 也不能较为准确地描述热物理梯度场, 因此对结果的精确性分析略显不足, 而光机热集成分析是综合多物理场作用的有效方法, 涵盖了光学、机械、热学三个方向对系统性能的影响因素。通过研究Zernike多项式拟合算法, 编制了学科间的数据转换程序, 实现了分析模块间的数据传输, 并在热不敏红外系统的设计过程中采用光机热集成分析方法得到高低温工况下的光学系统传递函数, 为指导系统设计改进、提高系统性能提供了有力的理论依据。

光机热集成分析不仅能够对红外成像系统在复杂环境下像质进行评价, 而且能够在设计阶段对热像仪模型进行优化设计, 从而节省研发时间, 提高研究效率。本文介绍了光机热集成分析的基本原理, 对该领域近年出现的光机热集成方法进行归纳总结与分析对比, 指出目前光机热集成分析存在的缺点与不足, 重点介绍了折射率梯度和光学胶对热像仪像质的影响, 并对热像仪集成分析发展趋势做出展望。

引入光机热集成分析利于综合考虑红外光学系统在多种物理场综合作用下的性能变化,Zernike圆域多项式作为光机热集成分析中的数据转换接口,是实现光、机、热各分析软件间数据有效传递的重要手段。采用不完全归纳法,针对常见的三种镜面面形(二次曲面、球面、自由曲面)研究了采样点数目和Zernike圆域多项式项数对拟合曲面的精度影响。仿真结果表明：不同曲面类型所需要的多项式项数不同,多项式项数对曲面拟合精度的影响权重要大于采样点数目,过多的多项式项数会导致拟合精度下降甚至出现病态矩阵。最后通过设计实例对Zernike圆域多项式拟合算法和精度进行了验证。

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型；仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化；将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。

由于红外镜片材料的温度特性, 环境温度的变化会对红外镜头的成像质量造成影响。为了研究不同温度场下镜片的应力状态以及镜面面形变化情况, 利用光机热集成分析方法, 运用有限元分析软件ANSYS WORKBENCH对设计的红外镜头进行了热结构耦合分析, 从分析结果中得到了镜片等效压应力的大小。利用Zernike多项式拟合了变形后的镜面面形, 将得到的Zernike系数导入到ZEMAX中建立了多重温度结构, 分析了不同温度下镜面变形前与变形后的光学系统离焦量的变化量。结果表明, 镜片在低温-40℃时受到较大的等效压应力, 最大等效应力81.118MPa, 小于材料的断裂强度345MPa; 不同温度下由于镜片面形发生变化, 导致红外光学系统成像质量以及离焦量发生改变。

温度变化会影响紫外镜头各镜面面形和镜片间隔的变化, 采用了光机热集成分析方法研究温度对紫外镜头成像质量的影响。论述光机热集成分析的基本流程和关键技术, 采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具, 在紫外镜头光学系统设计和机械结构设计的基础上, 建立了紫外镜头的热-结构分析模型, 得到各镜面面形和镜片间隔的变化结果, 并将结果耦合到光学设计软件中进行像质分析。分析结果表明, 在镜头的工作范围内, 镜头的调制传递函数在12 lp/mm处均在0.7左右, 能满足高光谱成像光谱仪的使用要求, 同时也为光谱仪最后整机分析提供了参考。

由于红外成像光学的特殊性,温度是影响其成像质量的主要因素之一.针对一款红外成像系统,应用光机热集成分析法,就其在夏季室外工作环境下的成像质量展开综合分析,发现光机元件温度的梯度分布对系统引入无法校正的像差,降低系统成像质量.建立在仿真分析的基础上,本文有针对性地设计一种分布式散热系统,在降低系统整体温度的同时,使得光机元件的温度分布均匀化,提高其成像质量.

论述了光机热集成分析方法原理及接口多项式，并将其应用于某激光器光学系统进行光机热集成分析。该分析方法首先对光学系统进行热分析、结构有限元分析计算，获取激光辐照下光学元件表面的结构变形；其次，对有限元计算的光学元件变形结果数据进行Zernike面形拟合处理；最后将变形后的光学表面导入到通用光学设计分析软件，分析激光器光学系统变形后产生的各类光学像差。结果表明：利用集成分析方法能够分析光学元件产生热变形对激光系统成像质量造成的影响，为光学系统设计提供参考。

环境温度动态变化时，物镜系统内部出现的温度梯度会导致镜片的折射率、厚度、曲率半径等参数出现非均匀变化，从而造成像质的下降。通过采用合理的温控方案，可以有效地减小物镜温度梯度以改善像质。本文利用光机热集成分析方法，针对一套完整航空相机物镜系统给定的动态温度环境，仿真了航空相机在飞机升空过程中物镜的温度场分布，并据此设计了温度控制方案，提取了相应的物镜面形。利用物镜面形的Zernike 系数，得到了物镜系统的MTF 以实现动态温度条件下的像质评价。结果表明，设计的温控方案可以有效地减小物镜系统径向和轴向的温度梯度，从而改善物镜性能以满足高分辨成像的要求。