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。

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。

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。

引入光机热集成分析利于综合考虑红外光学系统在多种物理场综合作用下的性能变化,Zernike圆域多项式作为光机热集成分析中的数据转换接口,是实现光、机、热各分析软件间数据有效传递的重要手段。采用不完全归纳法,针对常见的三种镜面面形(二次曲面、球面、自由曲面)研究了采样点数目和Zernike圆域多项式项数对拟合曲面的精度影响。仿真结果表明：不同曲面类型所需要的多项式项数不同,多项式项数对曲面拟合精度的影响权重要大于采样点数目,过多的多项式项数会导致拟合精度下降甚至出现病态矩阵。最后通过设计实例对Zernike圆域多项式拟合算法和精度进行了验证。

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型；仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化；将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。

由于红外镜片材料的温度特性, 环境温度的变化会对红外镜头的成像质量造成影响。为了研究不同温度场下镜片的应力状态以及镜面面形变化情况, 利用光机热集成分析方法, 运用有限元分析软件ANSYS WORKBENCH对设计的红外镜头进行了热结构耦合分析, 从分析结果中得到了镜片等效压应力的大小。利用Zernike多项式拟合了变形后的镜面面形, 将得到的Zernike系数导入到ZEMAX中建立了多重温度结构, 分析了不同温度下镜面变形前与变形后的光学系统离焦量的变化量。结果表明, 镜片在低温-40℃时受到较大的等效压应力, 最大等效应力81.118MPa, 小于材料的断裂强度345MPa; 不同温度下由于镜片面形发生变化, 导致红外光学系统成像质量以及离焦量发生改变。

温度变化会影响紫外镜头各镜面面形和镜片间隔的变化, 采用了光机热集成分析方法研究温度对紫外镜头成像质量的影响。论述光机热集成分析的基本流程和关键技术, 采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具, 在紫外镜头光学系统设计和机械结构设计的基础上, 建立了紫外镜头的热-结构分析模型, 得到各镜面面形和镜片间隔的变化结果, 并将结果耦合到光学设计软件中进行像质分析。分析结果表明, 在镜头的工作范围内, 镜头的调制传递函数在12 lp/mm处均在0.7左右, 能满足高光谱成像光谱仪的使用要求, 同时也为光谱仪最后整机分析提供了参考。