成像的基本概念

1.5.2　成像的基本概念

无论是自发光的物体，还是被照明而发光的物体，均可视为其表面是由许多点光源组成的。每个点光源均发射出球面波，从光束的角度看，即发出同心光束。

光学系统的基本作用，是接收由物体表面各点发出的入射波面的一部分，并改变其形状，最终生成物体的像。从光束的角度看，光学系统的成像，本质上就是进行“光束变换”，即将一个发散或会聚的同心光束，经过系统的一系列折射和反射后，变换成为一个新的会聚或发散的同心光束。如图1.26（a）所示，即为A点发出的一发散同心光束，经光学系统后，得到一会聚于A＇点的会聚同心光束。一般地说，在光学系统理想成像的条件下，同心光束经系统变换后，仍将得到一同心光束。入射到光学系统的同心光束的中心（交点）A称为物点；从光学系统出射的同心光束的中心A＇称为像点。在特殊情况下，像点也可能与物点重合。由光路的可逆原理，若将物点放在A＇处，则在A处也将得到物点的像。为此，称光学系统变换前后的两同心光束的中心为共轭点。相应的光线和光束称为共轭光线和共轭光束。

图1.26　光束变换

同心光束各光线实际通过的交点，称为实物点和实像点，由这样的点所构成的物和像称为实物和实像。实像可被眼睛及其它接受器（底片、屏幕等）所接收。

由光线的延长线的交点所形成的物点和像点（实际光线并不通过它），称为虚物点和虚像点。由这样的虚点所构成的物和像，称为虚物和虚像。虚物通常是前方系统所成的像；虚像可以被眼睛感受，但却不能在屏幕或底片上接收到。

物与像是相对的，前方系统所生成的像，即为后方系统的物。

图1.27　虚物成虚像

凡物所在的空间（包括实物和虚物），即为物空间；像（包括实像和虚像）所在的空间称为像空间。根据前面的定义，在规定光线自左向右进行的前提下，显然，整个光学系统第一面左方的空间为“实物空间”，第一面右方的空间为“虚物空间”；整个光学系统最后一面右方的空间为“实像空间”，最后一面左方的空间为“虚像空间”。整个物空间与像空间均是可以无限扩展的，因此，不能机械地按空间位置来划分物空间与像空间。例如，那种认为只有整个光学系统第一面左方的空间才是物空间、光学系统最后一面右方的空间才是像空间的看法，显然是片面、错误的。图1.27表示一个光学系统将虚物成一虚像。

还应注意的是，在进行光学计算时，不论是对整个系统，还是每一个折射面，其物方折射率均应按实际入射光线所在的介质的折射率来计算；其像方折射率，应按实际出射光线所在介质的折射率计算。

如果物点A发出的同心光束（对应于球面波），经光学系统后，出射的是以A＇为中心的同心光束（也对应于球面波），即点成点像，则称A＇为物点A的完善像或理想像。同心光束由于全部光线交于一点，即光能量集中于一点，所以成像清晰。

图1.28　多面光学系统的等光程条件

在光传播的过程中，沿着光线方向的任意二个波阵面之间的光程是相等的。因此，物点A及其完善像点A＇之间必光程相等。即由物点发出的通过光学系统到达像点的任意光路的光程均相等。图1.28表示由K个面所组成的光学系统，物点A₁经系统后成完善像点A＇_k。显然，应有如下的光程关系：

或表为：［A₁A_k＇］=常数

由此，可以得到结论：等光程是完善成像的物理条件。

如果一点发出的同心光束（球面波），经过光学系统折射反射后，不再是同心光束，而成为一像散光束（见图1.26（b）），即其对应波面发生变形，不再为球面，则称系统所成的像是不完善像（非理想像）。此时，点不再成点像，而是一能量分散的弥散斑。一般地说，实际光学系统成像往往是不完善的。有时，即便对某些特定点满足等光程条件，可以成完善像；但当物体有一定大小时，则成像不完善（例如对一定大小的物体，其轴上点成像完善，轴外点成像不完善）。物体所成的不完善像与其完善像之间的差别即为“像差”。

设计对有一定大小物体成完善像的光学系统是相当困难的，但光学设计的目标就是根据应用需求设计出具有尽可能小的像差、像质优良的光学系统。因此，有关光学系统与镜头的像质优化的理论与工程技术研究，已经成为光学设计的核心问题。