1.3 成像的基本概念与完善成像条件

1.3.1 光学系统与物像概念

光学系统通常由若干个光学元件按一定方式组合而成。图1.10为一光学瞄准镜的光学系统图。它由两组透镜（物镜和目镜）、一组棱镜、一个平面反射镜和一个分划板组成。

图1.10 光学瞄准镜的光学系统图

所有的光学元件都是由一定折射率的介质构成，这些介质的表面可以是平面、球面，也可以是非球面。如果组成光学系统的各个光学元件的表面曲率中心都在一条直线上，则该光学系统称为共轴光学系统，该直线称为光轴。

光学系统的主要作用之一是对物体成像。无论是发光的物体，还是被照明的物体，都可以看做是由无数多个发光点（物点）组成的，每个物点发射球面波，与之相对应的是一束以物点为中心的同心光束。如果该球面波经过光学系统之后仍为球面波，则对应的光束也为同心光束，那么称该同心光束的中心是物点经光学系统所成的完善像点，物体上每个点经光学系统后所成完善像点的集合就是该物体经光学系统后的完善像。通常，把物体所在的空间称为物空间，把像所在的空间称为像空间。物像空间的范围为（－∞, +∞）。

根据光的可逆性，如果将像点看做物，使光线沿反方向射入光学系统，则它一定将成像在原来的物点上。这样一对相应的点称为共轭点。同理，具有上述对应关系的一一对应的光线称为共轭光线，一一对应的平面称为共轭面，物空间和像空间一一对应。

1.3.2 完善成像条件

如图1.11所示，一共轴光学系统由O 1、O 2、…、Ok等k个光学面组成，轴上物点A1发出一球面波W，与之对应的是以A1为中心的同心光束，经过光学系统后为另一球面波W′，对应的是以A′k为中心的同心光束，A′k即为物点A1的完善像点。

图1.11 共轴光学系统及其完善成像

光学系统成完善像应满足的条件为：入射波面为球面波时，出射波面也为球面波。由于球面波对应同心光束，所以完善成像条件也可以表述为入射光为同心光束时，出射光也为同心光束。完善成像条件也可以用光程的概念表述为物点A1和像点A′k之间任意两条光路的光程相等，简写为（A1A′k）＝常数。

1.3.3 物像的虚实

在几何光学中，物像有虚实之分，由实际光线相交所形成的点为实物点或实像点，由这样的点构成的物称为实物或实像，而由光线的延长线相交所成的点为虚物点或虚像点，由这样的点构成的物称为虚物或虚像，如图1.12所示，分别表示了物体成像的四种不同情况。

图1.12 光学系统的几种物像关系

实物可以是自身发光的物体，如灯、蜡烛等，也可以是本身不能发光而由其他光源照明后使光线发生漫反射的物体，如月亮、人体和景物等。此外，实物可以是一个真实物体，也可以是前一光组所成的像。虚物不能人为设定，一般是前一光学系统的像被当前系统所截而成。

实像是实际出射光线相交而成，因此实像可由各种各样的光能接收器（照相底片、屏幕、光电探测器等）所接收，如电影放映机将胶片上的人和物成像在银幕上，工具显微镜把工件成实像在分划板上等。虚像是出射光线的延长线相交而成，因此它不能显示在屏幕上，如平面反射镜所成的像，因此虚像能被眼睛观察，而不能被屏幕、照相底片等接收，但可通过另一光学系统使虚像转换为实像，再被接收器所接收。

图1.13 物像的相对性

1.3.4 物像的相对性

如图1.13所示，物AB被一平面镜M N成一虚像A′B′, A′B′被人眼成一实像A″B″。对人眼而言，A′B′是虚物，A″B″是虚物A′B′经人眼所成的实像。由此可见，物像具有相对性，也就是说，A′B′相对镜子成像来说它是像，相对人眼成像来说它又是物，而对整个光组（包括镜子和人眼）成像来说，A′B′为中间像。所以，人眼从镜子里看物体，实际上经过了两次成像。这就说明，物和像都是相对某一系统而言的，几个光学系统组合在一起时，前一系统的像则是后一系统的物。