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。

为满足深海探测需求，实现深海中更高质量成像，设计了深海专用的连续变焦光学系统，该系统同时具备短焦大视场、高分辨率、高变倍比的特点。根据在深海中使用环境，考虑了深水压对光学窗口挤压变形造成的像质下降，对光学窗口进行光机集成分析，将面形变化结果以Zernike多项式的形式代入光学系统中进行优化。对水下光学像差特点和变焦系统的设计方法进行研究后，光学系统采用机械式负组补偿变焦方式和像方远心设计方案。该系统工作距为5 m，变焦全程F数恒定为3.0，可实现全视场角5.7°~90°范围内可调，10倍连续光学变焦。变焦系统使用三片非球面，系统总长为260 mm。在208 lp/mm处，整个变焦区域内全视场的调制传递函数值均大于0.3，另外系统各变焦位置的最大畸变均小于3%。所提变焦系统结构紧凑，成像质量良好，变焦曲线平滑，可以满足实际应用的需要。

提高光机结构的温度适应性对空间相机降低热控难度、提升系统稳定性具有重要意义。根据统一材料结构可以消除系统热差的原理，选用铝合金材料对某可见光波段空间相机的光机结构进行了设计，并完成了实际工况下的工程分析，达到了在 20℃±15℃均匀温度变化与不同方向重力耦合状态下，像质均满足 MTF(modulation transfer function)在 71.4 lp/mm处大于 0.3的成像指标。采取常用的不同材料搭配方案进行对比分析，相同工况的全铝结构稳定性远优于不同材料方案，验证了统一材料的光机结构在温度适应性方面的优势。

光轴稳定性是影响光学系统性能的重要因素，光机热集成分析技术是评估其影响程度的有效手段。论述了光机热集成分析技术流程，研究了基于齐次坐标变换的面型刚体位移提取方法，并基于光机热集成分析技术开展某高清电视光机系统的光轴稳定性研究。通过理论分析与实物测试的对比，验证了分析方法的正确性。分析结果表明，相对于实测值，基于光机热集成分析技术的光轴稳定性分析误差为12.1%，可有效解决高集成度复杂光学系统的光轴稳定性分析问题。

红外变焦监视镜头的 F数与焦深相对较小，因此温度变化极易导致离焦现象，导致成像质量下降。本文针对火情监察红外变焦镜头在－40℃50℃范围内成像清晰的技术要求，采用有限元法分析温度变化下各光学镜片前后镜面的刚体位移与旋转量，将刚体位移导入至 Sigit光机集成分析软件中仿真出温度变化工况下镜头的离焦量，分析结果表明焦距值变量在－0.16＋0.4 mm之间，调焦量为 0.1080.188。针对上述情况，采用两个凸轮两套执行机构来分别控制变倍组和补偿组的移动，实现镜头的主动消热差保证温度变化下成像仍旧清晰。最终通过温度可靠性实验对镜头光学分辨率温度适应性的进行考核，实验结果表明在温度变化过程中空间分辨率均大于 30 lp/mm，变焦过程成像质量基本清晰。

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。

红外光学系统在**、航空航天、民用等领域应用越来越广, 系统面临的外界环境复杂多变。只用光学分析软件来评估系统性能的传统方法不仅无法综合考虑不同材料间耦合影响, 也不能较为准确地描述热物理梯度场, 因此对结果的精确性分析略显不足, 而光机热集成分析是综合多物理场作用的有效方法, 涵盖了光学、机械、热学三个方向对系统性能的影响因素。通过研究Zernike多项式拟合算法, 编制了学科间的数据转换程序, 实现了分析模块间的数据传输, 并在热不敏红外系统的设计过程中采用光机热集成分析方法得到高低温工况下的光学系统传递函数, 为指导系统设计改进、提高系统性能提供了有力的理论依据。

建立了一种包括干扰模型、结构模型、光学模型及采样成像模型的时域集成分析方法,实现了空间相机从微振动干扰输入到图像输出的端到端系统集成仿真,并开发了基于MATLAB的数据转换工具,实现了结构分析与光学分析之间的序列数据传递。以某空间相机的地面微振动实验为例进行了时域集成分析,结果表明:在两种不同的成像模式工况下,该相机的动态像移统计最大值分别达到0.42 pixel和0.27 pixel,采样成像仿真得到的图像调制传递函数下降因子分别为0.951和0.974,与原始图像无明显的直观差异,为该相机微振动影响的有效预估提供了依据。