任何⼀种光学仪器的⽤途和使⽤条件必然会对它的光学系统提出⼀定的要求，因此，在我们进⾏光学设计之前⼀定要了解对光学系统的要求。这些要求概括起来有以下⼏个⽅⾯。
光学系统⽰意图（光⾏天下配图，来⾃⽹络）
⼀、光学系统的基本特性
光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；线视场或视场⾓；系统的放⼤率或焦距。此外还有与这些基本特性有关的⼀些特性参数，如光瞳的⼤⼩和位置、后⼯作距离、共轭距等。电缆转接箱
⼆、系统的外形尺⼨
系统的外形尺⼨，即系统的横向尺⼨和纵向尺⼨。在设计多光组的复杂光学系统时，外形尺⼨计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。
止水针头
三、成像质量
成像质量的要求和光学系统的⽤途有关。不同的光学系统按其⽤途可提出不同的成像质量要求。对于望远系统和⼀般的显微镜只要求中⼼视场有较好的成像质量；对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成像质量。
四、仪器的使⽤条件
三角形算法
在对光学系统提出使⽤要求时，⼀定要考虑在技术上和物理上实现的可能性。如⽣物显微镜的放⼤率Г要满⾜
500NA≤Г≤1000NA 条件，望远镜的视觉放⼤率⼀定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率⼀起来考虑。
跳跳鞋光学系统设计过程
所谓光学系统设计就是根据使⽤条件，来决定满⾜使⽤要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺⼨和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为4 个阶段：外形尺⼨计算、初始结构计算、像差校正和平衡以及像质评价。 ⼀、外形尺⼨计算
在这个阶段⾥要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满⾜给定的技术要求，即确定放⼤倍率或焦距、线视场或⾓视视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后⼯作距离光阑位置和外形尺⼨等。因此，常把这个阶段称为外形尺⼨计算。⼀般都按理想光学系统的理论和计算公式进⾏外形尺⼨计算。在计算时⼀定要考虑机械结构和电⽓系统，以防⽌在机构结构上⽆法实现。每项性能的确定⼀定要合理，过⾼要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计不符合要求，因此这⼀步骤慎重⾏事。
⼆、初始结构的计算和选择
初始结构的确定常⽤以下两种⽅法：
1.根据初级像差理论求解初始结构这种求解初始结构的⽅法就是根据外形尺⼨计算得到的基本特性，
利⽤初级像差理论来求解满⾜成像质量要求的初始结构。
2.从已有的资料中选择初始结构
这是⼀种⽐较实⽤⼜容易获得成功的⽅法。因此它被很多光学设计者⼴泛采⽤。但其要求设计者对光学理论有深刻了解，并有丰富的设计经验，只有这样才能从类型繁多的结构中挑选出简单⽽⼜合乎要求的初始结构。
初始结构的选择是透镜设计的基础，选型是否合适关系到以后的设计是否成功。⼀个不好的初始结构，再好的⾃动设计程序和有经验的设计者也⽆法使设计获得成功。
三、像差校正和平衡
初始结构选好后，要在计算机上⽤光学计算程序进⾏光路计算，算出全部像差及各种像差曲线。从像差数据分析就可以出主要是哪些像差影响光学系统的成像质量，从⽽出改进的办法，开始进⾏像差校正。像差分析及平衡是⼀个反复进⾏的过程，直到满⾜成像质量要求为⽌。
四、像质评价
光学系统的成像质量与像差的⼤⼩有关，光学设计的⽬的就是要对光学系统的像差给予校正。但是任
何光学系统都不可能也没有必要把所有像差都校正到零，必然有剩余像差的存在，剩余像差⼤⼩不同，成像质量也就不同。因此光学设计者必须对各种光学系统的剩余像差的允许值和像差公差有所了解，以便根据剩余像差的⼤⼩判断光学系统的成像质量。评价光学系统的成像质量的⽅法很多，下⾯简单介绍⼀下像质评价的⽅法。
1.瑞利判断
实际波⾯与理想波⾯之间的最⼤波像差不超过1/4 波长。其是⼀种较为严格的像质评价⽅法，适⽤于⼩像差系统如：望远镜、显微物镜等。
2.分辨率
分辨率是反映光学系统分辨物体细节的能⼒。当⼀个点的衍射图中⼼与另⼀个点的衍射图的第⼀暗环重合时，正好是这两个点刚能分开的界限。
3.点列图
由⼀点发出的许多光线经光学系统以后，由于像差，使其与像⾯的交点不现集中于同⼀点，⽽形成⼀个分布在⼀定范围内的弥散图形，称之为点列图。通常⽤集中30%以上的点或光线的圆形区域为其实际有效的弥散斑，它的直径的倒数，为系统能分辨的条数。其⼀般⽤于评价⼤像差系统。
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4.光学传递函数
此⽅法是基于把物体看作是由各种频率的谱组成的，也就是将物的亮度分布函数展开为傅⾥叶级数或傅⾥叶积分。把光学系统看作是线性不变系统，这样，物体经光学系统成像，可视为不同频率的⼀系列正弦分布线性系统的传递。传递的特点是频率不变，但对⽐度下有所下降，相位发⽣推移，并截⽌于某⼀频率。对⽐度的降低和位相的推移随频率⽽异，它们之间的函数关系称为光学传递函数。由于光学传递函数与像差有关，故可⽤来评价光学系统成像质量。它具有客观、可靠的优点，并且便于计算和测量，它不仅能⽤于光学设计结果的评价，还能控制光学系统设计的过程、镜头检验、光学总体设计等各⽅⾯。 各类镜头的设计差别
⼀、照相镜头
⼀、照相镜头
照相镜头的光学特性可由三个参数来表⽰，即照相镜头的焦距f'、相对孔径D/f'和视场⾓2ω'。其实就135 照相机⽽⾔，其标准画幅已确定为24mm X 36mm，则其对⾓线长度为2D=43.266。从下表我们可以得出照相机镜头的焦距f'和视场⾓ω'之间存在着以下关系：tgω'=D/f'
式中：2D——画幅的对⾓线长度；
f'——镜头的焦距。
照相机镜头的另⼀个最重要的光学特征指标是相对孔径。它表⽰镜头通过光线的能⼒，⽤D/f'表⽰。它定义为镜头的光孔直径（也称⼊瞳直径）D 与镜头焦距f'之⽐相对孔径的倒数称为镜头的光圈系数或光圈数，⼜称F 数，即F=f'/D。当焦距f'固定时，F 数与⼊瞳直径D 成反⽐。由于通光⾯积与D 的平⽅成正⽐，通光⾯积越⼤则镜头所能通过的光通量越⼤。因此当光圈数在最⼩数时，光孔最⼤，光通量也最⼤。随着光圈数的加⼤，光孔变⼩，光通量也随之减少。如果不考虑各种镜头透过率差异的影响，不管是多长焦距的镜头，也不管镜头的光孔直径有多⼤，只要光圈数值相同，它们的光通量都是⼀样的。对照相机镜头⽽⾔，F 数是个特别重要的参数，F 数越⼩，镜头的适⽤范围越⼴。与⽬视光学系统相⽐，照相物镜同时具有⼤相对孔径和⼤视场，因此，为了使整个像⾯都能看到清晰的并与物平⾯相似的像，差不多要校正所有七种像差。照相物镜的分辨率是相对孔径和像差残余量的综合反映。在相对孔径确定后，制定⼀个既满⾜使⽤要求，⼜易于实现的像差最佳校正⽅案。为⽅便起见，往往采⽤“弥散圆半径”来衡量像差的⼤⼩，最终则以光学传递函数对成像质量作出评价。
近年来兴起的数位相机镜头同上述的传统相机镜头的特性和设计评价上⼤同不异，其主要差别有：
1.相对孔径较传统相机⼤。
2.较短的焦距，使得景深范围增⼤。可根据视场⾓的⼤⼩算出相当传统相机镜头的焦距值F’=4
3.266/（2*tgω）。
3.较⾼的分辨率，根据光电器件的PIXEL 的⼤⼩，⼀般数位镜头光学设计要达到1/（2*PIXEL）线对。
⼆、投影镜头
投影物镜是将被照明的物成⼀明亮清晰的实像在屏幕上，⼀般讲，像距⽐焦距⼤的多，所以物平⾯在投影物镜物⽅焦平⾯外侧附近。
投影物镜的放⼤率是测量精度、孔径⼤⼩、观测范围和结构尺⼨的的重要参数。
放⼤率愈⼤，测量精度愈⾼，物镜孔径愈⼤。当⼯作距离⼀定时，放⼤率愈⼤，共轭距愈⼤，投影系统结构尺⼨越⼤。由于其是起放⼤作⽤，⾃光学知识可知，像⾯中⼼照度与相对孔径平⽅成正⽐，可⽤增⼤相对孔径的⽅法来增加像⾯照度。
液晶式投影机上所⽤的投影镜头同传统的投影物镜的区别：
1.相对孔径较⼤。
2.出瞳距长，即需要设计成近远⼼光路。
3.⼯作距离长。
4.解像⼒⾼.
5.畸变要求⾼.
以上⼏点，皆使得⽤于LCD 投影机上的投影物镜较传统的要复杂的多，⼀般要10 个镜⽚左右，⽽传统的⼀般只要3 个镜⽚就能达到。能测量出质量的流量计是
三、扫描镜头
扫描物镜可⽤三个光学特性来表⽰，即相对孔径、放⼤率和共轭距。放⼤率是扫描物镜的⼀个重要指标，由于⼀般物体⼤⼩是固定的，故放⼤率愈⼩，意味着镜头的像⾯愈⼩，焦距也就愈短，相对来讲扫描系统结构可以做的更⼩，但同时要求镜头的解像⼒也愈⾼。共轭距是指物像之间的长度，对镜头来讲，⼀般希望其愈长愈好，共轭距愈短，意味着镜头愈难设计（视场⾓增⼤）。其原理图同照相物镜⼀样，是⼀个缩⼩的过程。
扫描物镜的设计特点：
1.扫描物镜属于⼩孔径⼩像差系统，要求的光学解像⼒较⾼。
2.由于光电器件的原因，不仅要校正⽩光（混合光）的像差，同时需要考虑R、G、B 三种独⽴波长的像差。
3.严格校正畸变像差。
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