光学系统外形尺寸计算的主要任务与内容

10.7.1　光学系统外形尺寸计算的主要任务与内容

根据使用要求确定光学系统整体结构尺寸的设计，称为光学系统的外形尺寸计算。

在进行外形尺寸计算之前，首先要通过认真、深入的调查研究，搞清仪器的用途和使用条件，明确对仪器光学系统设计的要求，具体内容包括：系统的光学性能和技术要求；对系统的外形、尺寸和重量的要求；对系统成像质量的要求；系统的稳定性、牢固性、操作的方便性以及便于装调等结构要求等。

外形尺寸计算又称初步设计，其主要任务和内容是：

（1）拟定光学系统的原理图。例如系统中采用哪些光学部件与元件?它们各自的作用与成像关系如何?是否需要、以及采用何种转像（棱镜转像、透镜转像）系统?各光学元件的大体位置安排等；

（2）确定相互匹配的每个透镜组的光学特性如焦距、相对孔径和视场角等；同时确定各透镜组相互间隔；另外，考虑成像光束位置选择，确定各透镜组的通光口径（横向尺寸）；

（3）根据成像质量和光学特性的要求，选定系统中各透镜组的结构型式。

在计算光学系统外形尺寸时，可以根据高斯光学的相关公式进行计算，而不须考虑系统的像差；另外，由于初步设计时各透镜组的具体结构尚未确定，因而每个透镜组的物方主面和像方主面之间的距离尚不知道，因此计算中一律假定每个透镜组的物方主面与像方主面重合。当设计确定了各实际透镜组的具体结构并将它们组合成整个系统时，则只要使各透镜组的主面间距离保持不变，即可保证实际系统的光学特性与成像特性保持不变。最终实际系统的长度将等于原系统的设计长度再加上各透镜组的物方主面与像方主面间的间隔。

表10.2　常用的望远目镜类型

光学设计又称为像差设计，其任务是，根据外形尺寸计算的结果，进行各透镜组的结构设计与系统的像差校正，在达到给定成像质量要求的前提下，确定各透镜组的结构参数（半径、厚度、间隔以及玻璃材料）。这一部分内容将在光学设计基础中作具体研究。

上述两个阶段的设计既有区别又有联系，并非各自孤立进行。在外形尺寸计算阶段就要考虑到像差校正与平衡的可能性，并选择确定合理的结构型式；反之，当像差设计无法实现或结构过于复杂时，又必须回过头来修改、调整初步设计。一个光学仪器工作性能的好环，初步设计是关键。如果初步设计不合理，将给像差设计造成很大困难或使系统结构过分复杂，严重的甚至导致仪器的工作原理无法实现；当然，像差设计不当也会造成设计的失败，例如仪器的像质不好。一个好的设计应该是在满足使用要求（光学性能、成像质量、尺寸重量）的前提下，结构尽可能简单。

初步设计与像差设计两个阶段的工作在不同类型仪器中所占的地位及比重不同。例如，大部分军用观测仪器为望远系统，其外形尺寸计算的工作量较大，而像差设计则相对简单；而在显微和照相系统中，初步设计比较简单，而像差设计任务则比较繁重。在应用（几何）光学课程教学阶段的主要任务是，应用高斯光学的理论解决外形尺寸计算问题。

在外形尺寸计算的过程中，特别是对较复杂的光学系统，拟定原理方案、确定光学性能必须和外形尺寸的具体计算结合起来；设计中还必须充分考虑结构的工艺性、装调的可能性等。总之，外形尺寸计算过程中必须全面考虑，通过反复修改，不断调整才可能取得较好的设计效果。还应指出，系统外形尺寸计算过程中的每一个数据，并非都是由严格的解析公式确定的，有些数据是通过分析或经验选定的。