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。

为了提高空间相机在不同温度条件下的成像质量, 本文建立了空间相机光-机-热集成分析模型, 以此模型为基础, 对系统的温度-离焦特性进行研究, 得到了相机温度调焦曲线, 并开展了热光学试验。首先, 分析了温度变化对光学系统的影响, 特别是对最佳像面位置的影响, 得到了相机离焦量与光学元件参数的关系; 介绍了光机热集成分析的一般方法, 即将热分析的温度场, 经过映射, 作为结构分析的边界条件, 然后进行结构有限元的热弹性分析, 通过对变形结果中光学元件曲率和刚体位移做拟合, 得到敏感因素的温度-离焦敏感度矩阵; 在此基础上得到了相机温度调焦曲线; 最后, 开展了相机热光学试验。试验结果表明, 基于集成分析结果的温度调焦, 空间相机在20 ℃±8 ℃内的最大误差小于0.1 mm, 基本满足相机在轨自动调焦的要求, 并指出了进一步提高相机温度调焦精度的方法。

由于大口径空间相机对空间环境变化和卫星内部振源引起的微振动十分敏感, 本文研究了影响成像质量的微振动频率响应的计算方法, 以改善相机的在轨动态成像质量。该方法通过实际光学模型取代线性光学模型, 建立微振动光机集成模型, 从而计算影响成像质量的微振动频率响应。首先, 建立大口径空间相机有限元模型, 进行结构频率响应计算, 得到采样频率点的光学表面节点位移和相位。然后, 通过蒙特卡洛分析方法, 建立微振动光机集成模型, 以均方根光学系统动态传递函数和视轴漂移衡量大口径空间相机动态成像性能。最后, 研制了大口径空间相机力学样机, 对其进行了振动试验, 验证了有限元模型的正确性。试验结果表明仿真结果与试验结果接近, 误差均在5%以内, 满足大口径空间相机动态成像质量分析的要求。

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。

在光机热集成分析过程中,引入非序列光线追迹,分析复杂光源条件下光学系统内光致热效应,利用有限元分析方法求解光学元件温度场分布及表面面型变化,构建基于Zernike多项式的基底函数对梯度折射率场进行精确拟合,进而分析得到系统的光学性能。拟合过程中通过使用对Zernike多项式赋权值的方法避免了结果的非对称性。最后以大功率激光准直扩束镜为例,进行了系统的光机热集成分析,并给出分析结果,说明了该分析方法的有效性与通用性。

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.

光机热集成分析是光机结构设计中的重要环节，对光学系统像质的预测与补偿有着重要的参考价值。针对小物镜系统，进行光机热集成分析，结果表明该系统产生的热像差较大，影响系统光学性能，其中温度升高导致折射率变化引入的系统热像差较大；结构热变形引入的系统热像差较小，可以忽略；镜片与支撑结构之间的导热、上下窗口的空气扰动、机械结构外表面的环境对流也会存在一定影响，但影响较小。由此可知系统热像差的主要影响因素是热载的大小，设计过程中减少透镜厚度及材料吸收率，降低系统热载，是减小光学系统热像差最为有效的途径。

基于空间太阳望远镜已有的光机热集成研究，结合其运载轨道修改、观测视场扩大等因素的调整，获取了深空太阳天文台磁场望远镜主反射镜温度分布的定量结果.采用光机热集成分析法，结合主反射镜前期的支承方案，获取了主反射镜在装夹状态下的热变形定量描述.采用抛物面多项式和Zernike多项式拟合，获取了主反射镜表面热变均方差值大于λ/40(λ=533 nm)的热控准确度，无法确保系统获取0.1″的高分辨率成像目标，验证了预研阶段热控方案的局限性.提出修改主反射镜正三角的机框式支撑为六点支撑的建议，为深空太阳天文台磁场望远镜热控准确度的提高、热控方案的优化提供技术参考.

为了使红外镜头能够在宽的温度范围内工作, 在红外光学系统的设计时就要充分考虑热对光学性能的影响, 并要进行光机热集成分析。论述了光机热集成分析方法及流程, 并设计了一个焦距f=200 mm的冷光栏匹配的宽工作温度的红外镜头。建立了红外镜头的有限元模型并进行了热力学分析, 对分析的镜面变形结果数据进行了处理, 得到各镜片间隔和面形变化, 代入光学软件得到了热环境对光学成像质量的影响。分析结果表明, 对于-40℃~+60℃红外镜头的各个视场, 16线对的调制传递函数都大于0.5, 具有良好像质。所设计的红外镜头结构简单可行, 能够满足设计要求。