學(xué)好光學(xué)設(shè)計(jì)的必備基礎(chǔ)：詳解成像原理

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光源可以抽象為發(fā)光點(diǎn)的條件：尺度。

光線：發(fā)光體發(fā)出的帶有輻射能量的線條。

光束：在空間上具有一定關(guān)系的光線的集合。

同心光束，也稱單心光束（concentric beam, homocentric beam）：光線本身或延長(zhǎng)線交于一點(diǎn)。

均勻各向同性的透明介質(zhì)中，同心光束對(duì)應(yīng)有限遠(yuǎn)處發(fā)光 點(diǎn)發(fā)出的球面波或無(wú)限遠(yuǎn)處發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的平面波。

（3）光具組與理想光具組

物點(diǎn)：對(duì)光具組來(lái)說(shuō)，入射光線的發(fā)光點(diǎn)或同心光束的頂點(diǎn)。 

實(shí)物點(diǎn)：發(fā)出同心光束的物點(diǎn)。 

虛物點(diǎn)：會(huì)聚入射光線的頂點(diǎn)、或入射同心光束延長(zhǎng)線的交點(diǎn)。

像點(diǎn)：經(jīng)過(guò)光具組后，出射同心光束的光心交點(diǎn)或頂點(diǎn)。

實(shí)像點(diǎn)：會(huì)聚同心光束的頂點(diǎn)。 

虛像點(diǎn)：發(fā)散同心光束反向延長(zhǎng)線的頂點(diǎn)。

討論

① 物和像都是由一系列的點(diǎn)構(gòu)成的，物點(diǎn)和像點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。 

② 實(shí)物、實(shí)像的意義在于有光線實(shí)際發(fā)自或通過(guò)該點(diǎn)，而虛物、虛像僅僅是由光的直線傳播性質(zhì)給人眼造成的一種錯(cuò)覺(jué)，實(shí)際上并沒(méi)有光線經(jīng)過(guò)該點(diǎn)。 

③ 物和像具有相對(duì)性，虛實(shí)之間也可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

物方與像方、物與像的共軛性

（1）光學(xué)系統(tǒng)的物方和像方

物方（物空間）：物點(diǎn)所在的空間（包含入射光線及其延長(zhǎng)線）。 

像方（像空間）：像點(diǎn)所在的空間（包含出射光線及其延長(zhǎng)線）。

（2）物與像的共軛性

對(duì)于給定的光學(xué)系統(tǒng)，無(wú)論物與像是實(shí)是虛，均具有共軛特性，即：將物點(diǎn)移到原來(lái)的像點(diǎn)位置，并使光線沿反方向射入光具組，像點(diǎn)將出現(xiàn)在原來(lái)的物點(diǎn)位置上。這樣的一對(duì)物像點(diǎn)被稱為共軛點(diǎn)。

物像之間的等光程性

光學(xué)系統(tǒng)嚴(yán)格（理想）成像的條件 

（1） 同心性不變：由物點(diǎn)發(fā)出的同心光束通過(guò)光具組后保持同心性不變。 

（2） 等光程成像：由物點(diǎn)發(fā)出的所有光線通過(guò)光具組后均應(yīng)以相等的光程到達(dá)像點(diǎn)。 

討論 

（1） 同心性不變條件和等光程條件是等價(jià)的。 

（2） 不滿足理想成像條件時(shí)，即同心性被光具組破壞的情況下，出射光束變?yōu)橄裆⒐馐?，像點(diǎn)變?yōu)閺浬摺?nbsp;

（3） 從等光程性與同心性不變條件的等效性，可以對(duì)物的共軛像點(diǎn)做定義：對(duì)于一個(gè)物點(diǎn)，如果相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)能使其發(fā)出的所有光線，均以相等的光程通過(guò)另一點(diǎn)，則該點(diǎn)與物點(diǎn)共軛，稱為像點(diǎn)。

等光程面：若某一曲面的反射或折射能使從某一點(diǎn)發(fā)出的光線到達(dá)另一點(diǎn)時(shí)具有相等的光程，則該曲面稱為該兩點(diǎn)間的等光程面。只有等光程的反射、折射才能保證嚴(yán)格成像。

反射等光程面

討論

① 理想成像的基本要求是滿足同心光束的不變性，并且從整個(gè)物和像的對(duì)應(yīng)關(guān)系看，還必須要滿足物像間的相似性。 

② 空間上各個(gè)點(diǎn)之間的相互位置要一一對(duì)應(yīng)，同時(shí)每一對(duì)物像點(diǎn)的顏色要一一對(duì)應(yīng)。 

③ 要求成像的光學(xué)系統(tǒng)不產(chǎn)生畸變，沒(méi)有像差、色差等。 

④ 理想光具組是嚴(yán)格成像的必要條件。

齊明點(diǎn)，也稱不暈點(diǎn)(aplanatic points)

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