1.3 成像的基本概念與完善成像條件

1.3.1 光學系統與物像概念

光學系統通常由若干個光學元件按一定方式組合而成。圖1.10為一光學瞄準鏡的光學系統圖。它由兩組透鏡（物鏡和目鏡）、一組棱鏡、一個平面反射鏡和一個分劃板組成。

所有的光學元件都是由一定折射率的介質構成，這些介質的表面可以是平面、球面，也可以是非球面。如果組成光學系統的各個光學元件的表面曲率中心都在一條直線上，則該光學系統稱為共軸光學系統，該直線稱為光軸。

光學系統的主要作用之一是對物體成像。無論是發光的物體，還是被照明的物體，都可以看做是由無數多個發光點（物點）組成的，每個物點發射球面波，與之相對應的是一束以物點為中心的同心光束。如果該球面波經過光學系統之后仍為球面波，則對應的光束也為同心光束，那么稱該同心光束的中心是物點經光學系統所成的完善像點，物體上每個點經光學系統后所成完善像點的集合就是該物體經光學系統后的完善像。通常，把物體所在的空間稱為物空間，把像所在的空間稱為像空間。物像空間的范圍為（－∞, +∞）。

根據光的可逆性，如果將像點看做物，使光線沿反方向射入光學系統，則它一定將成像在原來的物點上。這樣一對相應的點稱為共軛點。同理，具有上述對應關系的一一對應的光線稱為共軛光線，一一對應的平面稱為共軛面，物空間和像空間一一對應。

1.3.2 完善成像條件

如圖1.11所示，一共軸光學系統由O 1、O 2、…、Ok等k個光學面組成，軸上物點A1發出一球面波W，與之對應的是以A1為中心的同心光束，經過光學系統后為另一球面波W′，對應的是以A′k為中心的同心光束，A′k即為物點A1的完善像點。

光學系統成完善像應滿足的條件為：入射波面為球面波時，出射波面也為球面波。由于球面波對應同心光束，所以完善成像條件也可以表述為入射光為同心光束時，出射光也為同心光束。完善成像條件也可以用光程的概念表述為物點A1和像點A′k之間任意兩條光路的光程相等，簡寫為（A1A′k）＝常數。

1.3.3 物像的虛實

在幾何光學中，物像有虛實之分，由實際光線相交所形成的點為實物點或實像點，由這樣的點構成的物稱為實物或實像，而由光線的延長線相交所成的點為虛物點或虛像點，由這樣的點構成的物稱為虛物或虛像，如圖1.12所示，分別表示了物體成像的四種不同情況。

實物可以是自身發光的物體，如燈、蠟燭等，也可以是本身不能發光而由其他光源照明后使光線發生漫反射的物體，如月亮、人體和景物等。此外，實物可以是一個真實物體，也可以是前一光組所成的像。虛物不能人為設定，一般是前一光學系統的像被當前系統所截而成。

實像是實際出射光線相交而成，因此實像可由各種各樣的光能接收器（照相底片、屏幕、光電探測器等）所接收，如電影放映機將膠片上的人和物成像在銀幕上，工具顯微鏡把工件成實像在分劃板上等。虛像是出射光線的延長線相交而成，因此它不能顯示在屏幕上，如平面反射鏡所成的像，因此虛像能被眼睛觀察，而不能被屏幕、照相底片等接收，但可通過另一光學系統使虛像轉換為實像，再被接收器所接收。

1.3.4 物像的相對性

如圖1.13所示，物AB被一平面鏡M N成一虛像A′B′, A′B′被人眼成一實像A″B″。對人眼而言，A′B′是虛物，A″B″是虛物A′B′經人眼所成的實像。由此可見，物像具有相對性，也就是說，A′B′相對鏡子成像來說它是像，相對人眼成像來說它又是物，而對整個光組（包括鏡子和人眼）成像來說，A′B′為中間像。所以，人眼從鏡子里看物體，實際上經過了兩次成像。這就說明，物和像都是相對某一系統而言的，幾個光學系統組合在一起時，前一系統的像則是后一系統的物。