提出了一种融合新型支撑方式与灵敏度分析的光机热集成分析与优化方法，用于设计超高精度深紫外光刻投影物镜系统。首先，采用轴向多点与周向三点胶接支撑相结合的新型支撑方式，实现了212.51 mm口径光学元件的超高精度定位要求。其次，通过对光学元件进行热力耦合分析，验证了光机系统的合理性。然后，在光机热集成分析条件下，分析了单个光学元件的灵敏度，以及全部光学元件表面变形对整体光学系统波像差均方根值和校准F-tan θ（F为焦距，θ为物方视场角）畸变的影响。最后，通过调整部分光学元件的灵敏度进行局部优化，并对整体光学系统的像质进行优化。结果表明：在热力耦合条件（参考温度为22.5 ℃、极限工作温度为±2.5 ℃、重力）下，光学元件的最大表面面型均方根（RMS）值为9.86 nm，能够满足超高精度定位要求。在光机热集成分析条件下（参考温度为22.5 ℃、极限工作温度为±2 ℃、重力），优化后光学系统的波像差RMS值小于10.50 nm，校准F-tan θ畸变小于6.00 nm，相较于优化前，波像差RMS提升了46.98%，校准F-tan θ畸变提升了77.69%，达到了设计要求。

对空基光电对抗平台可见光变焦镜头进行了光机结构设计以及被动消热差设计,依据-20~50 ℃的工作温度指标要求,对变焦镜头进行光机热集成分析。用Patran软件对镜头加载温度应力,计算光机结构的热弹性变形,用Nastran软件解算热变形后各光学元件镜面节点的刚体位移。用Sigfit光机接口软件分析变形后每个透镜表面的Zernike系数,将结果导入Zemax中,预判镜片面型变化以及刚体位移变化对调制传递函数(MTF)与波前差的影响。实验结果表明,在-20~50 ℃的温度载荷下,后固定组的最大轴向位移可达6.107×10 -3 mm,严重影响了成像质量。通过挠性压圈实现轴向位移可控消热差设计,以减小温度载荷带来的影响。光机热集成分析表明,温度载荷下光学系统的MTF均大于0.3,满足技术指标要求。最后通过温度可靠性实验测试了变焦镜头的温度适应能力以及光机热集成分析的准确性,提供了一套高效、准确、适用范围广的光机热集成分析流程。

基于光机热集成设计分析,设计了一种扩展中波红外定焦镜头光机系统(焦距f=60 mm,工作波段2.5~5.3 μm),在设计光学系统和光机结构时就充分的考虑了环境温度、系统热变形对光学性能的影响,建立了镜头组的有限元模型,并基于-40~+60 ℃的实际温度载荷展开了热力学分析,对热分析后各镜片的节点位移和面型变化通过Zernike多项式作为数据接口导入光学设计软件,给出了各典型温度值下镜头组的传递函数图。分析结果表明,在-40~+60 ℃区间红外镜头的各个视场成像质量良好,所设计的红外镜头结构可靠、简洁,能够满足设计和使用要求。

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。