长波红外差分干涉仪在低温工况下会因光学元件受到非均匀应力作用产生干涉条纹的畸变，从而降低干涉仪系统性能。本文为解决低温工况干涉条纹弯曲畸变问题，基于长波红外差分干涉仪光机系统进行了干涉条纹畸变影响因素分析，结合光-机-热耦合分析方法，对干涉仪系统低温工作状态进行仿真。随后设计了针对影响条纹畸变的关键元件——光栅元件的低温微应力动态稳定支撑安装结构，结构优化后的光栅表面面形均方根（Root Mean Square， RMS）值为3.89×10^-2 nm，面形峰谷值（Peak to Valley， PV）值为2.21×10^-1 nm，分别较优化前初始系统的分析结果减小了5个数量级，系统仿真干涉条纹畸变小于1个探测器像元。全系统低温验证试验表明，优化结构可有效抑制干涉条纹畸变，畸变量小于2个探测器像元，试验与仿真计算结果一致性较好，验证了优化分析方法的有效性。该优化方案对提升反射式光学系统结构低温稳定性，提高系统工作能力有较大意义和价值。

在玻塑混合定焦安防镜头中塑胶镜片、玻璃镜片、镜框的材料性质差异较大，复杂温度环境下，镜头机械结构热变形与光学消热设计会共同影响像质。为保证镜头复杂温度环境下成像稳定，根据安防镜头?40 ℃~80 ℃的测试温度，对镜头进行光机热一体化分析。在Ansys workbench中建立镜头热结构有限元模型，计算镜头的热弹性变形;使用Zernike多项式拟合镜面的面型变化，将拟合结果导入Zemax中，判断温度载荷对像质的影响。光机热一体化分析结果表明：在极限测试温度载荷下，镜头底座的材料为聚碳酸酯混合20%玻璃纤维时，有效补偿了Zemax中模拟光学系统本身的热离焦量；镜框材料为聚碳酸酯混合30%玻璃纤维时，塑胶镜片所受挤压应变最大为2.36×10^?3 mm；镜框材料为聚碳酸酯混合20%玻璃纤维时，塑胶镜片所受挤压应变最大为0.53×10^?3 mm，第二种镜框材料可以使镜头像质保持稳定。最后通过对镜头高低温法兰焦距测量试验，验证了镜头的温度适应能力和光机热一体化分析的准确性。

为实现真空100 K低温环境中的红外设备测试，设计了一种离轴三反式的准直系统。该系统采用无热化设计，整机结构选用SiC材料，在镜体与支撑结构连接处采用C形开口胀销作为柔性结构，补偿连接结构的低温变形。系统整体除反射镜外，其余部分全部包裹在低温辐射冷板内。低热导绝热支撑结构在热传导链中起热屏蔽作用，实现系统的绝热支撑和快速制冷。在100 K低温环境下对单镜进行仿真分析，主、次、三镜的面形误差均小于λ/50；整机分析得到主、次、三镜的面形误差均不大于λ/30。常温下系统各个视场波前差在λ/14~λ/8内，低温下系统视场波前差在λ/8~λ/7内，根据瑞利判据可认为波面无缺陷。当λ=632.8 nm时，常温下系统在50 lp/mm频率的调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）大于0.7；低温下的MTF大于0.6，满足系统在50 lp/mm MTF大于0.6的使用要求。仿真结果表明，准直系统可以在100 K真空环境中稳定输出平行光，满足低温红外设备的测试需求。在快速辐射制冷材料级实验中，历经18 h，温度稳定在130 K；历经30 h，SiC镜坯温度稳定在110 K。该实验验证了SiC反射镜快速辐射制冷的可行性。

对于环境载荷恶劣、光学面变形复杂的光机系统，传统光机热集成分析方法的计算误差较大。提出了基于刚体运动完备方程的光机热集成分析方法，利用双立方样条插值法对光学面进行修正，然后建立光学面刚体运动完备方程，采用优化的求解方式分离光学镜面刚体运动，最后采用最小二乘方法求解Zernike多项式系数，实现对光学镜面弹性变形的表征。采用数值案例和工程案例验证了所提方法的有效性和正确性，定量分析了刚体运动方程、镜面修正方法、镜面点阵分布以及面形等关键因素对光机热分析结果的影响，结果表明，所提方法比传统方法更为精确地分离出光学面刚体运动和弹性变形量，且不依赖于光学面的解析方程，镜面变形的复杂程度对分析结果的影响较大。

随着空间天文、态势感知、环境监测等领域的要求越来越高，空间望远镜正在向着大视场、大口径的方向发展。大规模焦面拼接技术是大视场空间望远镜的关键技术，其主焦面平面度误差（P-V值）分配方法一般都是基于经验的直接赋值法，容易出现误差分配不合理的问题。本文提出一种拼接焦面误差分配方法，通过光机热集成分析对重要参数误差进行精确分配。以16片互补金属氧化物半导体 (CMOS)图像传感器4×4机械直接拼接焦面为例，建立了拼接焦面误差树，通过光机热集成分析方法分析了重力和温度等重要参数对拼接焦面平面度的影响，最终给出误差分配结果。分析结果表明：两种不同姿态下重力造成的平面度误差分别为0.28 μm、1.55 μm，温度造成的平面度总误差为5.5 μm，留30%余量后，确定重力和温度引起的平面度误差分配值分别为2 μm和7.2 μm。