以热光学分析为基础, 对复杂环境下改正镜作为光学窗口的玻璃厚度进行了优化设计。对改正镜的强度及其所处的热环境进行了分析, 将温度场映射到结构模型中, 利用有限元计算改正镜在热-力耦合情况下的改正镜的变形量和面形数据, 对正镜面形数据进行拟合和处理, 最后将处理后的改正镜面形数据导入光学设计方案中, 分析改正镜厚度对光谱仪性能影响。结果表明改正镜厚度应该不小于10 mm; 当改正镜厚度为15 mm时, 改正镜受热力学影响可以忽略。因此改正镜作为光学窗口既能满足强度和可靠性要求, 又能满足光谱仪性能指标, 为窗口的设计提供了依据。

为提高高空高速环境下机载光谱相机光学系统的成像性能,分析了飞行高度对光学窗口面型变形的影响,合理设计光学窗口厚度。基于有限元流固耦合、流热耦合模型,仿真高空高速环境下气动压力、气动热载荷对光学窗口的作用,分析了飞行高度对不同厚度光学窗口面型变形的影响; 初步选择光学窗口厚度,利用Zernike多项式对该光窗面型变形进行拟合并输入光学软件,以MTF及波相差为评价指标,分析了光学窗口变形对光学系统成像性能的影响,最终确定合理的光学窗口厚度。结果表明: 飞行器在5~30 km高空以3 Ma速度、5°攻角飞行时,口径200 mm的光学窗口合理设计厚度为15 mm。为不同飞行高度范围光学窗口厚度的选择及优化提供了一定依据。

针对光电对抗稳定平台中的变焦镜头进行了光机结构设计及热光学特性分析。根据30~120 mm 变焦要求采用凸轮机构进行结构设计。为确保工作在高低温环境下的光学系统获得高分辨率的目标图像，利用有限元方法分析了高低温环境下整机热变形与轴向温度场下变形位移，采用Zernike 多项式对形变后的镜面进行拟合，带入Zemax 软件分析出调制传递函数(MTF)、峰谷值(PV)、均方根(RMS)等评价函数随温度变化曲线，验证了光机设计的合理性。经过高低温可靠性实验对分析结果与变焦光学系统的温度适应性进行了验证。

航空遥感器在高速飞行时，由于光学窗口玻璃与大气间的摩擦会产生大量热，致使光学窗口玻璃在热载荷作用下发生变形，光束通过时会发生偏折、产生光程差等问题，导致航空遥感器的光学系统成像受到影响。为了更好地抑制这种影响，介绍了双层光学窗口的结构，并结合实例验证，对比分析了同等厚度下单、双层光学窗口的光学性能。根据窗口结构给出了在满足外界作业环境下，圆形和矩形窗口厚度的确定方法及不同窗口安装方式对厚度的影响；分析了在压力和温度的影响下，窗口玻璃的变形情况，并结合载机飞行工况对双层窗口进行了热变形分析；结合实际光学系统，验证了双层窗口的光学性能，并和同等厚度的单层窗口进行对比。分析结果表明，在航空遥感器高速飞行条件下，与同等厚度的单层窗口相比，双层窗口玻璃的径向温差和轴向温差更小；针对所研究的光学系统，双层光学窗口玻璃热变形后引起的光学系统离焦量更小，并且对光学系统调制传递函数（MTF）的影响更小，空间频率在0~65 cycle/mm 范围内不低于0.3，且在65 cycle/mm 时MTF 的相对下降量不超过10%，即双层光学窗口的引入使光学系统在不用调焦的情况下就可以满足使用要求。对双层光学窗口的分析研究也可以为其他航空光学窗口设计提供参考。

为了对空间高分辨率相机热设计提出准确的技术要求，基于光学波像差的基本理论，对某高分辨率空间相机的温度场进行热光学分析.在此基础上确定了热控指标，并在真空罐中进行热真空成像试验，验证了热光学分析的正确性和热控指标的合理性.结果表明:最佳焦面位置与相机温度水平的关系近似成线性关系，最佳焦面位置变化量约0.08～0.1 mm·℃－1;当温度水平在(20±1 )℃之间变化时，像面处在系统焦深范围内，系统传递函数变化量在0.02左右;当径向温差和轴向温差会大于2 ℃引起最佳焦面位置发生移动，若不调焦，传函会明显下降.

为了验证空间光学系统热设计的合理性，利用光-机-热集成的热光学分析技术论证了空间光学系统的热设计方案。首先，阐述了热光学技术的一般方法以及热光学技术与热设计的关系，同时根据空间光学遥感器所处的空间环境和结构特点，应用被动和主动热控技术对空间光学系统进行了热设计。然后，利用有限元方法对热控后的温度场和热弹性变形进行了分析，得出该温度载荷条件下光学元件表面的变形量及刚体位移量，利用Zemike多项式进行了波面拟合。最后，用CodeV光学设计软件计算了热载荷作用下光学系统的传递函数。结果表明，各种工况下全视场范围内光学系统分辨率为50lp时，传递函数均超过0.5，成像良好，能够满足光学设计指标，热设计方案合理可行。

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。

运用“热-结构-光”耦合分析方法,计算典型星敏感器光学系统（6透镜光具组,f=56 mm,相对孔径1/1.3）恒星像斑理想质心位移和亚像元内插质心偏移量,研究温度分布对星敏感器测量准确度的影响.以20℃为光学系统标定温度,计算光学系统均匀温度分布、轴向温差分布和上下侧温差分布三种条件下,星敏感器测量误差.均匀分布温度变化20℃时,星敏感器测量误差约0.07″；轴向温差10℃和20℃时,测量误差分别约为0.17″和0.31″；上下侧温差仅2℃时,测量误差就高达1.46″.计算结果表明,上下侧温差分布对星敏感器准确度影响最大,均匀温度分布影响最小.

环境温度对星敏感器测量精度有一定影响。运用光机结合方法,研究环境温度对星敏感器测量精度的影响。在计算典型星敏感器光学系统热效应引起的结构参数变化的基础上,分析了星敏感器星点定位误差。计算结果表明:在视场角0°附近,环境温度变化对星点定位精度影响较小;通过材料匹配,减小系统温度焦移系数,可以减小环境温度变化引起的星点定位误差。热补偿设计后,在环境温度-20～60℃范围内,星敏感器最大测量误差仅为0.02″,约为原系统的1/7。

利用有限元分析计算了轴向温差对主、次镜面形的影响,对光学系统成像质量进行了评价.用PATRAN软件建立有限元模型,用NASTRAN/NT有限元分析软件完成温度场的分析计算.用Zernike多项式曲面拟合系数表示轴向温差对主、次镜面形的影响,通过ZEMAX软件分析对光学系统成像质量的影响,实现了热分析与光学分析的接口.结果表明:轴向温差不仅使光学系统产生像面位移-离焦,而且将产生各种像差,降低光学系统的成像质量,所以在调焦的同时,必须采取温控措施.最后给出了轴向温差具体的温控指标,主镜的轴向温差为0.8℃,次镜为1.0℃,主、次镜之间为3.0℃.