作用

改变光线的传播方向

组成

不同曲面形状的和不同介质(玻璃，晶体等)的光学零件——反射镜，透镜，棱镜。

正透镜：会聚光

举例

望远镜光学系统，显微镜

理论

光线和波面的传播规律

理想系统

点对点，直线成像为直线，平面成像为平面。

对称共轴理想系统其它性质

(1)光轴上的物点，像点也在光轴上。(2)过光轴的截面内的物点，与其像共面。(3)过光轴的任意截面性质都是相同的。(4)垂直于轴的平面，同一面内具有相同的放大率。(5)由已知条件确定理想光学系统的成像性质：已知两对共轭面位置及放大率;或已知一对共轭面位置及放大率，再加上光轴上的两对共轭点。

共轭面：一对物象面，且垂直于光轴。物像对应关系叫做“共轭”。

基面和基点：通常将这些已知的共轭面和共轭点分别称为共轴系统的“基面”和“基点”。

作图法证明[1]：

①已知两对共轭面的位置和放大率 

相关名词

共轴系统，非共轴系统;光轴;球面系统;共轴球面系统;放大率;物像关系。

关键设计参量

一、渐晕

光学系统一般存在30%~40%的渐晕。如果来自视场中各点的光束完全充满孔径光阑而不被光阑周围的孔径所遮挡，则系统没有渐晕。

二、视场光阑

实际上，一切光学系统的入瞳总有一定大小，有时甚至很大，因此大多数情况下，某轴外物点的主光线虽不能通过入窗，但该物点发出的一部分可通过入窗进入系统。能够限制大部分光线(平行于轴)空间场的面叫视场光阑。

视场光阑通过其前面的光学系统于物空间所成的像为入窗。确定视场光阑的办法是：把系统中除孔径光阑以外的所有光阑通过其前面的光组成像，入瞳中心所对张角最小的像所对应的为视场光阑。在物空间，边缘主光线与光轴间夹角称为物方半视场角，其大小是入瞳中心所对入窗张角的一半。与视场共轭的像平面的范围为像场。对于矩形探测器，像面最大不能超过像场(一般为圆形)的内接矩形，即像面对角线应等于像场的直径。

三、消杂光阑

光学系统的杂光有非成像物体入射的辐射，也有光学零件、机械零件反射和散射的辐射。杂光源大部分处在仪器之外，因此应合理控制镜筒内壁的表面反射。常用的办法是镜筒壁车螺纹并喷褐色无光漆或加杂散光挡板。

消杂光阑确定的原则如下：

1.探测器探测到的场景越大，则它接受的漫散射就越多，所以挡光罩和透镜镜筒应尽可能远离物场。

2.来自黑表面的多重反射能消除漫散射，能阻止任一光线反射到探测器。

3.当光罩锋利的边缘会导致光衍射，所以挡光罩的孔径要调节，后面的挡光罩内径应略小。[2]

设计过程

光学系统的设计步骤一般要求如下：

1.根据使用要求制定合理的技术参数。从满足使用要求的程度出发，制定光学系统合理的技术参数。

2.光学系统总体设计和布局。

3.光学部件(光组、镜头)的设计。一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正3个阶段。

4.长光路的拼接与统算。以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路的拼接与统算。如果结果不合理，则应反复试算并调整各光组的位置与结构，直至达到预期的目标。

5.光学系统的公差制定。非配整个系统中所有光关顾额原件和光学机械原件及尺寸的加工公差，进行公差预算，确保系统以合理的成本实现所要求的光学性能。

在制定光学系统公差的过程中，需要给系统中所有的光学元件和光学机械原件分配公差，包括所有的透镜和反射镜以及直接或间接支撑光学原件的机械元件。系统的总目标是在满足光学性能的要求的前提下，使光学原件的成本、装调和校准的成本到达最低。制定光学系统公差的步骤如下：

1.为所有光学元件和机械元件分配可变公差;

2.选择调整参数，如后截距等;

3.公差的敏感度分析;

4.重新估计公差，检查是否有变化;

5.增加其他不能被程序模拟的公差的影响;

6.预计总的系统性能并进行误差预算;

7.加严对系统敏感参数的公差，放宽非敏感参数的公差，并预算性能;

8.重复步骤7直至以合理的开销满足系统性能;

9.如果系统性能不能实现，则进行重新设计。

光学设计的目的就是要对光学系统的像差给予校正，但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，成像质量也就不相同。受衍射、制造和装配误差的影响及其他因素的限制，像差的存在也是必然的，因此必须了解光学系统的剩余像差的允许值和公差，以便根据剩余像差的大小判断光学系统的成像质量。