光学系统设计基本步骤
光学设计流程
插入一个"blank" surfaces –右键菜单你想要在某表面之前要插入的表面 –选择快捷菜单Insert, 输入想要插入的表面
数, 点击OK
Surface Coordinate System
右手坐标系 Z 轴即为光轴(对centered systems而言) 在每一个表面，都有一个局部x,y,z坐标系统
Optical Surface Definitions
Optical Systems ‐Basic Terminology and Conventions
光线按表面序号，自小到大，自左向右传输 边缘光线自轴上点出发，经过孔径的边缘继续往前传输 主光线自轴外点出发，经过孔径中心继续往前传输 Image surface thickness SI为一离焦值
光学系统的性能
➢ 系统参数:视场
Object angle:投影到入 瞳上XZ和YZ平面上时，主 光线与Z轴的夹角。大多 用在无限共轭系统。
Object height:物面上X， Y高度。大多用在有限共 轭系统。（注：如果物面 为曲面，则X，Y坐标包含 Z坐标）
Paraxial Image height: 像面上的近轴像高。用于 需要固定像的大小的设计 中。（只用于近轴光学系 统中）
•其他典型的specification data包括 – Field (field angles, object heights, image heights)
–渐晕因子(Vignetting factors) –高斯切趾(Gaussian apodization，为模拟激 光或光纤光源用) –Through‐focus定义 –无焦参数(Afocalspecification，主要是针对透 镜像无限大情况) –偏振光学参数(Polarization data) –透镜单位(Lens units，inches, mm, or cm)
光学系统设计
光学系统设计光学系统设计是一项复杂而重要的任务，它涉及到光学元件的选择、布局和优化，以及系统参数的确定和调整。
在光学系统设计中，考虑到的因素有很多，包括光源的特性、光学元件的性能、系统的限制等等。
本文将探讨光学系统设计中的一些关键问题，并介绍一些常见的方法和技巧。
首先，光学系统设计的第一步是电磁波的传播。
光学系统中的光源发出一束光线，光线在经过各种光学元件（如透镜、棱镜、反射镜等）后，最终到达像平面上。
而光线的传播遵循光的物理定律，如折射、反射、散射等。
因此，在光学系统设计中，需要对光线的传播进行准确的建模和计算。
在光学系统设计中，光学元件的选择和布局是非常重要的。
不同的光学元件有不同的功能和特性，如透镜用于聚焦、反射镜用于反射等。
根据系统的需求，需要选择合适的光学元件，并合理地布局它们，以实现系统的设计目标。
例如，如果要实现高分辨率的成像，可以选择高质量的透镜，并将其放置在适当的位置。
除了光学元件的选择和布局，光学系统设计还需要考虑系统的性能和限制。
例如，光学系统的分辨率、灵敏度、动态范围等参数对系统的性能有很大的影响。
因此，在光学系统设计中，需要进行系统参数的确定和调整，以实现设计要求。
这可以通过优化方法，如遗传算法、粒子群算法等来实现。
在光学系统设计中，光源的选择也是非常重要的。
光源的特性直接影响了光线的传播和成像质量。
根据不同的应用需求，可以选择不同类型的光源，如激光器、LED等。
同时，还需要根据系统的设计要求，合理选择光源的参数，如波长、功率等。
最后，在光学系统设计中，需考虑到光学系统的误差和校准。
在实际应用中，光学系统存在一些误差，如光学元件的偏差、噪声、散射等。
这些误差会导致成像质量下降，因此，需要对光学系统进行校准。
校准可以通过相机标定、反射板法等方法来实现，以提高系统的精度和稳定性。
综上所述，光学系统设计是一项复杂而重要的任务。
在设计过程中，需要考虑到光线的传播、光学元件的选择和布局、系统的参数和限制、光源的选择、系统误差和校准等。
光学性设计实验报告
一、实验目的1. 了解光学系统的基本组成和光学元件的基本特性；2. 掌握光学系统设计的基本步骤和方法；3. 通过实验验证光学系统的设计原理和计算方法；4. 培养实验操作能力和分析问题、解决问题的能力。
二、实验原理光学系统设计主要包括光学元件的选择、光学系统结构设计、光学参数计算、光学系统调试等步骤。
本实验主要验证光学系统的设计原理和计算方法。
1. 光学元件的选择：根据实验要求，选择合适的透镜、棱镜等光学元件。
2. 光学系统结构设计：根据光学元件的焦距、尺寸等参数，设计光学系统的结构，确定光学元件的相对位置。
3. 光学参数计算：根据光学系统的结构，计算光学系统的成像质量、光通量等参数。
4. 光学系统调试：通过实验调整光学元件的位置，使光学系统达到最佳成像效果。
三、实验器材1. 透镜：焦距分别为f1、f2、f3的凸透镜；2. 棱镜：两块不同折射率的棱镜；3. 平面镜；4. 光具座；5. 光源；6. 调焦装置；7. 测量工具：尺子、游标卡尺等。
四、实验步骤1. 光学元件的选择：根据实验要求，选择合适的透镜、棱镜等光学元件。
2. 光学系统结构设计：确定光学元件的相对位置，设计光学系统的结构。
3. 光学参数计算：根据光学系统的结构，计算光学系统的成像质量、光通量等参数。
4. 光学系统调试：通过实验调整光学元件的位置，使光学系统达到最佳成像效果。
5. 实验数据记录：记录实验过程中观察到的现象和数据。
五、实验结果与分析1. 光学系统成像质量分析：根据实验数据，分析光学系统的成像质量，如像差、分辨率等。
2. 光学系统光通量分析：根据实验数据，分析光学系统的光通量。
3. 光学系统调试效果分析：分析光学系统调试后的成像效果，如清晰度、亮度等。
六、实验总结通过本次实验，我们了解了光学系统的基本组成和光学元件的基本特性，掌握了光学系统设计的基本步骤和方法。
在实验过程中，我们学会了如何选择光学元件、设计光学系统结构、计算光学参数和调试光学系统。
zemax光学设计例子
在光学设计中，Zemax是一款非常受欢迎的软件，它提供了强大的工具和功能，可以帮助设计师轻松地完成各种光学设计任务。
本文将通过一个具体的例子，向大家展示如何使用Zemax进行光学设计。
一、设计背景我们假设需要设计一款望远镜，需要观察远处的星空。
望远镜的主要性能指标包括放大倍率、像差和亮度。
我们需要通过Zemax软件，找到最佳的光学系统方案，以达到最佳的观察效果。
二、设计步骤1.建立基本光学系统模型：在Zemax中，我们需要建立一个基本的光学系统模型，包括望远镜的主镜和次镜。
可以通过手动输入镜片数据或者使用预设的镜片库来建立模型。
2.调整参数：在Zemax中，我们可以调整各种参数来优化望远镜的性能。
例如，可以通过调整放大倍率和亮度参数来找到最佳的观察效果。
3.检测像差：在调整参数后，我们需要检测望远镜的像差。
Zemax 提供了强大的像差检测功能，可以帮助我们找到镜片上的缺陷和误差。
4.优化镜片：根据检测结果，我们可以对镜片进行优化。
可以通过添加或删除镜片、调整镜片位置和角度等方式来改善望远镜的性能。
5.模拟观察：在完成镜片优化后，我们可以模拟观察望远镜的成像效果。
可以通过调整望远镜的焦距和观察角度来查看不同情况下的成像效果。
6.调整和优化：根据模拟观察结果，我们可以再次调整和优化望远镜的设计。
直到达到满意的观察效果为止。
三、设计结果经过一系列的设计和优化步骤，我们得到了一个满意的光学设计方案。
该方案包括两片反射镜，放大倍率为10倍，像差在可接受范围内，亮度较高。
通过Zemax模拟观察，成像效果清晰、稳定，符合我们的预期。
四、总结通过这个具体的例子，我们展示了如何使用Zemax进行光学设计。
虽然只是一个简单的望远镜设计，但是它涵盖了光学设计的基本步骤和技巧。
在实际应用中，光学设计需要考虑的因素很多，例如环境因素、成本预算、材料选择等。
Zemax提供了丰富的工具和功能，可以帮助设计师轻松应对各种挑战。
光学设计 第14章 光学系统初始结构设计方法概要
第三篇光学系统设计光学仪器的基本功能是借助于光学原理，通过光学系统来实现的。
光学系统的优劣直接影响仪器的性能和质量，因此，光学系统设计是光学仪器设计和制造过程中的重要一环。
本部分的目的是使读者获得光学设计所需要的基本理论和知识，并通过必要的设计实践以掌握光学设计的初步能力。
光学设计工作大体上可分四个阶段：一、根据仪器的技术参数和要求，考虑和拟定光学系统的整体方案，并计算其中各个具有独立功能的组成部分的高斯光学参数；二、选择各组成部分的结构型式，并查取或计算其初始结构参数；三、逐次修改结构参数，使像差得到最佳的校正和平衡；四、对设计结果进行评价。
上述各个阶段性工作之间有着密切的联系，前期工作的合理与否会影响到后期工作能否顺利进行，甚至会决定设计工作能否成功。
光学系统的整体方案可以有很大的灵活性和多样性，应该力求在满足仪器的性能要求的前提下，寻求一个简单易行、便于装调和经济合理的最佳方案。
相应地，系统各组成部分的光学性能参数也应根据整体要求定得恰如其分。
选择结构型式是光学设计中的重要一步，可能导致设计的成败。
现在，各种用途的光学镜头已积累起种类甚多的结构型式，它们有各自的像差特征和在保证像质时可能达到的相对孔径和视场，有些型式还能在工作距离或镜筒长度等参数方面达到其特殊要求。
因此，基于对已有结构型式基本特征的全面了解，有可能挑选到符合要求的型式。
但应注意到，随着对镜头要求的不断提高，设计者还应不断探求和研究新的更佳结构。
镜头初始参数的获得一般采用二种方法，一是根据初级像差理论求解满足初级像差要求的解，另一种方法是在已有的设计成果中选取性能参数相当的结果作为初始参数。
像差的平衡是一项通过反复修改结构参数以逐步逼近最佳结果的工作，这在过去以人工计算光路时，工作量是很大的。
计算机应用于光学设计后，先是取代了繁重的光路计算，随后又用于像差自动平衡，才根本上改变了光学设计的面貌。
应用像差自动平衡方法，能充分挖掘出系统各个结构参数对像差校正的潜力，不仅极大地加快了设计进程，而且显著提高了设计质量。
光学设计实验报告范文(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解光学系统设计的基本原理和方法。
2. 掌握光学设计软件的使用，如ZEMAX。
3. 学会光学系统参数的优化方法。
4. 通过实验，加深对光学系统设计理论和实践的理解。
二、实验器材1. ZEMAX软件2. 相关实验指导书3. 物镜镜头文件4. 目镜镜头文件5. 光学系统镜头文件三、实验原理光学系统设计是光学领域的一个重要分支，主要研究如何根据实际需求设计出满足特定要求的成像系统。
在实验中，我们将使用ZEMAX软件进行光学系统设计，包括物镜、目镜和光学系统的设计。
四、实验步骤1. 设计物镜（1）打开ZEMAX软件，创建一个新的光学设计项目。
（2）选择物镜类型，如球面镜、抛物面镜等。
（3）设置物镜的几何参数，如半径、厚度等。
（4）优化物镜参数，以满足成像要求。
2. 设计目镜（1）在ZEMAX软件中，创建一个新的光学设计项目。
（2）选择目镜类型，如球面镜、复合透镜等。
（3）设置目镜的几何参数，如半径、厚度等。
（4）优化目镜参数，以满足成像要求。
3. 设计光学系统（1）将物镜和目镜的镜头文件导入ZEMAX软件。
（2）设置光学系统的其他参数，如视场大小、放大率等。
（3）优化光学系统参数，以满足成像要求。
五、实验结果与分析1. 物镜设计结果通过优化，物镜的焦距为100mm，半视场角为10°，成像质量达到衍射极限。
2. 目镜设计结果通过优化，目镜的焦距为50mm，半视场角为10°，成像质量达到衍射极限。
3. 光学系统设计结果通过优化，光学系统的焦距为150mm，半视场角为20°，成像质量达到衍射极限。
六、实验总结1. 通过本次实验，我们掌握了光学系统设计的基本原理和方法。
2. 学会了使用ZEMAX软件进行光学系统设计。
3. 加深了对光学系统设计理论和实践的理解。
4. 提高了我们的动手能力和团队协作能力。
5. 为今后从事光学系统设计工作打下了基础。
注：本实验报告仅为示例，具体实验内容和结果可能因实际情况而有所不同。
近代光学系统设计概论
近代光学系统设计概论光学系统设计是光学工程中的重要领域，涵盖了光学元件的选择、光学系统的布局和参数优化等方面。
近代光学系统设计概论介绍了光学系统设计的基本原理和方法，旨在帮助读者了解光学系统设计的基本概念和技术，为实际应用提供指导。
一、光学系统设计的基本原理光学系统设计是利用光学原理和光学元件来实现特定功能的系统。
光学系统的设计过程包括确定系统的需求和约束条件、选择合适的光学元件、确定光学元件的参数以及优化整个系统的性能等步骤。
在设计过程中，需要考虑光学元件的色散、畸变、吸收、散射等因素，以及系统的像差、分辨率、透过率、干涉等性能指标。
二、光学系统设计的方法1. 光学系统布局设计：根据系统需求和约束条件，确定光学元件的相对位置和光路。
光学系统的布局设计需要考虑光学元件的尺寸、形状、材料等因素，以及系统的紧凑性、稳定性和可调性等要求。
2. 光学元件选择：根据系统的功能需求和性能指标，选择合适的光学元件。
常见的光学元件包括透镜、棱镜、光栅、滤波器等。
选择光学元件时需要考虑其色散特性、透过率、反射率、损耗等因素，以及成本和制造难度等因素。
3. 光学元件参数确定：确定光学元件的尺寸、曲率、折射率等参数。
光学元件的参数对系统的性能有重要影响，需要通过计算和模拟来确定最佳参数。
常用的方法包括光学设计软件、光学模拟软件等。
4. 系统性能优化：通过调整光学元件的参数和布局来优化系统的性能。
系统性能的优化可以通过改善像差、提高分辨率、增加透过率等方式来实现。
优化过程中需要考虑多个指标之间的权衡和平衡。
三、光学系统设计的应用领域光学系统设计广泛应用于各个领域，包括光学仪器、光通信、光储存、光刻、光学测量等。
例如，在光学仪器中，光学系统的设计是实现高清晰度、大视场、低畸变等性能的关键；在光通信中，光学系统的设计是实现高速传输、低衰减等要求的关键；在光刻中，光学系统的设计是实现高分辨率、高精度的关键。
四、光学系统设计的挑战和发展趋势随着科技的不断进步，光学系统设计也面临着新的挑战和机遇。
光学系统课程设计
光学系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解光学系统基本概念，掌握光学元件的作用和原理；2. 学会使用透镜公式和光路图分析光学系统；3. 了解光学成像的规律，掌握不同类型光学成像的特点；4. 掌握光学系统设计的基本方法和步骤。
技能目标：1. 能够正确使用光学仪器，进行光学实验操作；2. 能够运用透镜公式解决实际问题，分析光学系统性能；3. 能够根据给定的需求，设计简单的光学系统；4. 能够通过团队合作，完成光学系统设计项目。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对光学现象的好奇心和探索精神，激发学习兴趣；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实验数据和事实；3. 培养学生团队协作意识，提高沟通与交流能力；4. 培养学生环保意识，关注光学技术在环保领域的应用。
课程性质：本课程为物理学科选修课程，旨在帮助学生掌握光学基础知识，提高解决实际问题的能力。
学生特点：学生处于高中阶段，具备一定的物理基础和实验操作能力，对光学现象感兴趣，但需进一步培养探究精神和实践能力。
教学要求：注重理论联系实际，以实验为基础，引导学生通过观察、思考、实践，掌握光学系统设计的方法和技巧。
教学过程中，注重启发式教学，鼓励学生提问和讨论，提高学生的主动学习能力。
通过课程学习，使学生能够达到上述课程目标，为后续相关领域的学习和研究打下基础。
二、教学内容1. 光学基本概念：光的基本性质、光学元件（透镜、面镜）、光学成像分类；2. 透镜公式与光路图：透镜公式推导、光路图绘制、光学系统分析；3. 光学成像规律：实像与虚像、放大与缩小、成像位置与物距关系；4. 光学系统设计：光学系统设计方法、步骤、实例分析；5. 光学实验操作：光学仪器使用、实验操作技巧、实验数据处理；6. 光学技术应用：光学在日常生活、科技、环保等领域的应用案例。
教材章节关联：1. 与教材第二章“光的传播”相关，深化对光直线传播、反射、折射等概念的理解；2. 与教材第三章“光学成像”相关，学习透镜成像、面镜成像等知识点；3. 与教材第四章“光学仪器”相关，了解光学仪器的基本构造和原理。
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其中 x 1 , x 2 , , x n 为结构参数 f1 , f 2 , , f m 为各种像差
1. 所谓像差是广义的； 2. 由于结构参数的变化不全是任意的，各种像差之间存在相关性，应根 据需要对像差进行综合平衡。 根据什么来平衡？
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透镜直径（mm） 3－6 ＞6－10 ＞10－18 ＞18－30 ＞30－50 ＞50－80 ＞80－120 ＞120－150
透镜边缘及中心最小厚度 正透镜边缘最小厚度(mm) 0.4 0.6 0.8－1.2 1.2－1.8 1.8－2.4 2.4－3.0 3.0－4.0 4.0－6.0
负透镜中心最小厚度(mm) 0.6 0.8 1.0－1.5 1.5－2.2 2.2－3.5 3.5－5.0 5.0－8.0 8.0－12.0
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圆形零件倒角角度 零件直径与表面半 径的比值（D/r） ＜0.7 ＞0.7－1.5 ＞1.5－2 倒角角度 凸面 45 度 30 度 － 偏心差 C 允许值 透镜性质 显微镜与精密仪器 照相投影系统 偏心差(mm) 0.002－0.01 0.005－0.1 透镜性质 望远镜 聚光镜 偏心差(mm 0.01－0.1 0.05－0.1 凹面 45 度 60 度 90 度 45 度 平面
一、确定设计指标 二、光学系统外形尺寸计算，可行性分析，设计指标修正 三、光学系统初始结构设计 四、像差平衡，必要时修改初始结构 五、像质评价与公差分析 六、绘制光学系统图、零件图 七、完成设计报告
光行天下论坛：ｈｔｔｐ构设计方法 计算法 计算结合经验法 经验法 查资料法(孔径、视场、波长、焦距，整体缩放)
四、边界条件
第一类：中心厚度，折射率，半径的变化范围——冻结法，严格控制 二类边界条件 第二类：边缘厚度，后截距，系统总长度——作为像差处理
目前光学设计工作的过程
1. 由使用要求提出对光学系统的合理要求； 2. 用高斯光学对光学原理图进行分析（物像关系、光束限制、能量、外形尺寸等； 3. 确定光学系统的初始结构，并求初始解； 4. 对初始解进行像差校正，得到光学系统结构参数； 5. 进行光学系统公差设计和分析； 6. 产生光学系统图和零部件图，并给出像差分析和公差设计等报告。
2C 本设计对材料的要求：主色光折射率误差： ，色散误差：2C，光学均匀性：3，应力双折射： 2，光吸收系数：3，条纹：1C，气泡：1C。 本设计对零件的要求中， △R1、△R2、B 和θ不填。 D0 指通光口径。
二、评价函数——能综合评价像质好坏的函数
ϕ = ϕ ( x)
要求：
ϕ 越小，像质越好，所以也称为目标函数
几何像差 波像差+畸变+色差 点列图 光学传递函数
怎样构成
能充分综合地反映成像质量 计算方便
评价函数的形式： ( x ) = W12 ( f1 − f1* ) 2 + W22 ( f 2 − f 2* ) 2 + ϕ 其中 f1 , f 2 ,
2C 3 2 3 1C 1C
3C 4 3 4 2C 1C
3C 4 3 3 1B 1B
3D 4 3 4 1C 1C
3D 4 3 4 1C 1A
3D 3 3 4 1A 1C
3D 5 3 5 2C 1C
－ 3 2~3 － － －
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光学零件表面误差参考数值 仪器类 型 零件性 质 物镜 表面误差 N 1－ 3 △N 0.1 － 0.5 棱 镜 目镜 物镜 滤光镜 物镜 望远系 统 转换透 镜 目镜 3－ 5 2－ 5 1－ 5 3－ 5 3－ 5 3－ 6 0.5 － 1.0 0.1 － 1.0 0.1 － 1.0 0.5 － 1.0 0.5 － 1.0 0.5 － 1.0 光学零件精度等级分类 零件精度等级 1 2 3 精度性质 N 高精度 中精度 一般精度 0.1 － 2.0 2.0 － 6.0 6.0 － 15.0 公差 △N 0.05 － 0.5 0.5 － 2.0 2.0 － 5.0 场镜、滤光 镜、分划板 5 － 15 0.5 － 5.0 望远系 统 仪器类 型 零件性质 反射面 折射面 屋脊面 反射镜 表面误差 N 1－ 2 2－ 4 0.1 － 0.4 0.1 － 1.0 △N 0.1 － 0.5 0.3 － 0.5 0.05 － 0.1 0.05 － 0.2
显微镜 和精密 仪器 照相系 统投影 系统
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光学零件外径余量 通光口径(mm) 到6 ＞6－10 ＞10－18 ＞18－30 外径(mm) 用滚边固定 D＋0.6 D＋0.8 D＋1.0 D＋1.5 用压圈固定 － D＋1.0 D＋1.5 D＋2.0 ＞30－50 ＞50－80 ＞80－120 ＞120 通光口径(mm) 外径(mm) 用滚边固定 D＋2.0 D＋2.5 － － 用压圈固定 D＋2.5 D＋3.0 D＋3.5 D＋4.5
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对材料的要求
物 镜
高精度 中精度 低精度
技术指标
目 镜
2w>50º 2w<50º
分划板
棱镜
聚光镜
反射镜
∆n D
∆ ( n F − nC )
均匀性 双折射 光吸收系数 条纹度 气泡度
1B
2C
3C
3C
3D
3D
3D
3D
－
1B 3 2 3 1C 1C
透镜中心厚度公差 透镜类别 仪器种类 显微镜及试验室仪器 物镜 照相物镜及放映镜头 望远镜 目镜 聚光镜 各种仪器 各种仪器 圆形光学零件的倒角 零件直径 D 3－ 6 ＞6－10 ＞10 －18 ＞18 －30 ＞30 －50 ＞50 －80 ＞80 －120 ＞ 120 －150 倒角宽度 b 非胶合面 0.1+0.1 胶合面 0.1+0.1 辊边面 0.1+0.1 0.3+0.2 0.3+0.2 0.2+0.1 0.4+0.2 0.5+0.3 0.4+0.3 0.5+0.4 0.6+0.5 0.2+0.2 0.3+0.3 － 0.7+0.3 0.8+0.4 － － 厚度公差 (mm) ±0.01 －± 0.05 ±0.05 －± 0.3 ±0.1 －± 0.3 ±0.1 －± 0.3 ±0.1 －± 0.5
f1* , f 2* ,
W1 , W2 ,
2 * Wm ( f m − f m ) 2
f m 为各像差函数
* f m 为各像差目标值
,Wm 为一组非负值，均为权因子
在光学设计中根据不同的情况修改权因子的大小是一项主要的工作。 要严格控制的像差W大； 控制比较松的像差W小； 不控制的像差W=0。
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三、自动设计的算法
优化算法中应用最多最成功的——加权阻尼最小二乘法 即：使像差函数平方和最小。 事实上，像差函数非常复杂，一般根本写不出它的显式。所以这个优化求解过 程是对一个非线性方程组的求解，如有阻尼因子的牛顿迭代法。在线性比较好 时，阻尼因子变小，使收敛速度快 ；线性比较差时，阻尼因子变大，使收敛速 度慢。
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一、结构参数和像差函数
各表面曲率半径与面形 结构参数 各透镜中心厚度与间隔 修改之 像差发生变化
光学材料参数（折射率，阿贝数等） 可以认为，各种像差是结构参数的函数，写成
f1 = f1 ( x1 , x2 , , xn ) f = f (x , x , , x ) 2 2 1 2 n f m = f m ( x1 , x2 , , xn )