无论是商用镜头还是军事航天应用的光学设备都需要在较宽的温度范围内具有令人满意且稳定的光学性能。随着塑料材料的广泛应用和光学系统对温度变化敏感度的提高,热致面型变化所引起的光学性能下降变为消热差领域不可忽视的问题。尽管光机热集成分析能够有效降低热致面型变化,但多学科交互的设计分析过程繁琐复杂,补偿方法也都是通过代价较高的热控设计或者结构优化。本文针对两类典型温度场分布的光学系统提出了各自适配的考虑热致面型变化的消热差光学设计方法。对于均匀温度场分布的光学系统,本文提出一种能够由光学设计人员独立完成的考虑热致面变化的光学被动消热差设计方法。对于非均匀温度场分布的光学系统,本文以高能激光指向光学系统为例,提出一种通过光学优化加调焦补偿的方法实现考虑热致面型变化的消热补偿设计。论文主要开展了以下内容:1.考虑热致面型变化的消热差设计基础理论研究。首先,通过温度对光学系统参数的影响进行理论分析,指出由于传统光学设计软件无法表征镜片间的装配信息,导致镜片间隔的热分析结果不准确。同时,指出光机热集成分析热致面型变化的消热过程往往需要不同专业背景的工程师协同迭代多次完成,多学科交互和跨专业的沟通效率问题使得整个过程耗时耗力。然后,理论分析了热致应力对光学系统的影响,说明镜片的热应力只与该镜片自身的装配参数有关,与镜筒的整体结构无关。以一个大温差光学系统为例,仿真分析了热致面型变化对光学系统成像质量的影响。最后,理论分析了热致面变化的光学可优化性。2.考虑热致面型变化的光学被动消热差设计方法研究。首先,对考虑热致面变化的光学被动消热差整体设计流程进行了介绍。重点阐述了在光学设计软件中考虑镜片间装配方式的热分析方法和程序实现过程,以及如何通过参数化有限元分析和自编的泽尼克多项式拟合宏将热致面型变化在光学设计软件中表征。然后,演示验证了考虑热致面型变化的光学被动消热差设计实例,优化结果表明该方法具有可行性。最后,通过单透镜低温面型干涉检测实验,说明参数化有限元分析和泽尼克多项式拟合的仿真结果与实际面型变化在趋势上具有一致性。3.考虑热致面型变化的高能激光指向光学系统设计。不同于热稳定环境的消热差设计,高能激光辐照光学镜片时,镜片整体变为具有一定梯度的温度场分布。本文将非均匀温度场分布和热致面型变化通过多物理场有限元分析和泽尼克多项式拟合表征的方法带入光学优化设计之中,通过主动补偿及迭达优化的方法使高能激光光学系统能够在激光辐照状态下依旧保持较好远场聚焦特性。本论文首先提出了传统消热差设计方法的不足之处,并从光学设计从业者的角度出发,通过自编程序实现了能够由光学设计人员独立完成的考虑热致面变化的消热差光学设计。针对两类不同热环境下的光学系统进行消热差设计,验证本论文所提出的消热差设计方法具有可行性。