为了提高大口径红外长波相机光学系统的成像质量，对红外长波杜瓦的温度场在不同窗口温度下进行了有限元分析和实验验证，明确了杜瓦窗口温度对探测器杂散光和冷屏热辐射的影响。结果表明，当窗口温度为200 K时，可有效抑制窗口引入的背景杂散光，满足设计需求。结合窗口工作温度，分析了力、热和力-热耦合对杜瓦窗口厚度、口径等设计参数的影响，并利用Zernike多项式对杜瓦窗口的形变量进行拟合，以调制传递函数和波像差作为评价指标，实现了大口径长波红外杜瓦组件的窗口变形控制。为了减小低温窗口引起的漏热以及确保窗口的可靠性，采用钛合金外壳实现杜瓦的低漏热以及更高强度的力学支撑。分析了厚度和口径分别为4 mm和58 mm的杜瓦窗口在三种工况下的形变对红外相机系统成像质量的影响。

为满足空间相机成像质量的要求, 设计了一种热控调焦机构来修正离焦量.首先, 根据光学系统确定调焦方式, 并通过驱动次镜沿光轴方向移动的方式设计了调焦机构, 该结构占用空间小且质量较轻.然后, 根据调焦需求, 选取热膨胀系数较高的铝作为主要材料, 采用在镜座背面贴加热片等措施保证次镜在恒温下工作, 并通过有限元方法对调焦机构性能进行了建模分析.最后, 对调焦机构工作状态进行分析验证, 利用Zernike多项式对其工作时所产生温度变化引起的镜面变形进行拟合, 把变形后的面形输入到Zemax软件中, 以调制传递函数作为光学系统成像质量评价指标, 分析了调焦机构在正常工作时次镜面形变化对相机成像质量的影响.结果表明, 调焦机构符合设计指标, 且工作时次镜面形的变化对光学系统成像质量的影响可以忽略, 与传统调焦机构相比, 具有质量轻、结构简单等优点.

为了克服机载光电有效载荷(可见光摄像机和红外热像仪)各自独立、焦距过短的缺点，着重对可见光/红外共口径系统关键技术进行了研究。采用可见光、中波红外双波段共用主次镜的光学结构，可见光和红外焦距分别为1 500 mm和750 mm。选用合适的光学材料、合理的支撑方式，对系统反射镜支撑组件进行了静力学、动力学建模，优化了结构形式。采用光机热集成分析方法，指导、评价和优化光机系统设计过程，提高结构固有频率，增强系统热稳定性适应范围。系统结构设计基频大于200 Hz，在±5 ℃均匀温变工况和重力作用下，反射镜面形PV值小于λ/10，RMS值小于λ/40，光学系统传递函数(MTF)达到0.38。结果表明，采用该方法设计的光机结构固有频率高，重力及热耦合变形、抗振性能等方面均能满足要求，系统具有良好的成像质量。

从断裂力学的角度进行分析，在考察断裂强度的基础上，对机载多光谱相机光学窗口的厚度进行了详细的设计。相关分析解决了光学窗口厚度的工程设计问题，使光学窗口的设计更加合理可靠。同时，结合窗口工作环境，利用有限元方法计算其稳态温度场分布，再结合分析结果中的温度载荷和相关的广义力载荷，计算光学窗口在力热耦合情况下玻璃表面的变形。利用Zernike多项式对最终变形值进行拟合，得到变形后的光学窗口面形，输入到Zemax软件中，以波像差和调制传递函数(MTF)作为光学系统成像质量评价指标，分析了在这种工作环境下光学窗口变形对多光谱相机光学性能的影响。结果表明，在已知的环境条件下，窗口变形对系统成像质量的影响可以忽略。

以热光学分析为基础,对复杂环境下光学窗口的玻璃厚度进行了优化设计。对光学窗口的强度及其所处的热环境进行了分析和仿真,计算出稳态的温度场,将温度场映射到结构模型中计算了光学窗口在力-热耦合情况下的光学玻璃的变形量,结合光学窗口的折射率梯度分析和玻璃面形变化进行热光学分析,计算出了直径是350 mm的光学窗口在不同的玻璃厚度下光程的均方根(RMS)误差值,确定光学窗口的玻璃厚度为18 mm。结果表明,光学窗口既能满足强度和可靠性要求,又能在有效通光口径内满足光学指标,为窗口的设计提供了依据。