3つの一般的な光学イメージングシステム

光の様々な伝播現象を研究する上で、小さな物体を観察するための顕微鏡、遠くの物体を観察するための望遠鏡、カメラ、カメラなどのような様々な光学機器を設計し、製造した。

光学機器には通常、観察された物体をイメージングして人の目で観察したり、光電デバイスで検出したりすることができる光学系があります。

光学系は通常、1つまたは複数の光学素子から構成される。各光学素子は、球面、平面、または非球面に囲まれた屈折率を有する媒体からなる。

光学系を構成する各光学素子の表面曲率中心が同じ直線上にある光学系を同軸光学系と呼び、この直線を光軸と呼ぶ。

非同軸光学系（例えば、分散プリズムまたは分散格子を含む分光計システム）もある。

光学系中のすべての光学素子は球面系で構成され、球面系と呼ばれている。

光学系が非球面を含む場合、非球面システムと呼ばれます。

単一レンズは同軸球面系の基本ユニットである。

レンズは形状の違いによって2種類に分けることができます：第1類は集光レンズまたは正レンズと呼ばれ、その特徴は中間が厚く、縁が薄い、第2のクラスは、薄い中間と厚い側面を有することを特徴とする発散レンズまたは負レンズである。

光と波面の伝播規則に基づいて、レンズ中のビームの伝播を研究した。

（1）集光レンズ又は正レンズ

図1に示すように、a点から放射される同心ビームについては、その波面PQはaを中心とする球面である。光ビームがレンズを通過すると、ガラスの屈折率は空気の屈折率よりも大きいため、屈折率と光速の関係によって、ガラス中の光の伝播速度は空気中の伝播速度よりも小さく、集光レンズの中心の厚さはエッジの厚さよりも大きく、だから中心部の伝播は遅く、エッジ部の伝播は速い。図1の場合、中心の光がOからO’に伝播すると、エッジの光はPとQからP’、Q’にそれぞれ伝播し、出射波面は左から右に曲がり、光ビーム全体が光軸に向かって折り畳まれ、「収束」と呼ばれる。レンズ表面が適切な湾曲形状を選択すると、出射波面は依然として球面である可能性がある。対応する出射線はすべてA’点で交差し、A’点は明らかに出射球面波の中心である。A′はレンズを介して点Aが形成される「像点」であり、点Aは「物点」と呼ばれる。

図1において、A'は実際のライトの交点である。画面をa'に配置すると、画面にハイライトが表示され、そのような画像ポイントは「リアル画像ポイント」と呼ばれます。

（2）発散レンズ又は負レンズ

発散レンズのエッジは中心よりも厚いため、集光レンズよりもビームの中心部分の伝播が速く、エッジの伝播が遅い。図2に示すように。ビームはレンズを通過した後、波面は左に曲がり、対応する出射光は外に偏向し、「発散」と呼ばれる。出射波面が球形である場合、放射線の延長線はすべて球面波の球面中心A’を通過する。レンズの後ろから見ると、A’からの光と全く同じですが、画面に表示することはできません。このような画像点を「虚像点」と呼ぶ。

図1及び図2において、物体点Aは実際の照明の起点であり、「物体点」と呼ばれる。

物体点Aが実際の発光点ではなく、別の光学系の像点である場合、光が点Aに到達する前に後光学系の最初の表面に出会い、図3に示すようにその伝播方向を変え始める。このとき、実際の光線はA点を通過しないが、それらの延長線はA点で交差しており、これは「仮想物点」と呼ばれている。

（3）同軸光学系

O 1、O 2、L、Okは図4に示すようにk個の面を有する光学系を表すとする。

発光点A 1から球面波が放射され、点A 1を中心とする同心ビームが放射され、点Aは物点と呼ばれる。もし球面が光学系を通過した後も球面波、すなわち点Ak'を中心とする同心ビームであり、点Ak'も幾何学点であれば、それはA 1の完全な画像である。したがって、光学系の完全な結像の条件は、入射波が球面波である場合、出射波も球面波であることである。あるいはマリウスの法則によれば、入射波面と出射波面の対応点の間の光学長はすべて固定値である。したがって、物体点A 1とその完全な画像点Ak’との間の光学長は一定である。図4に示すようなk個の面を有する光学系については、

物体が存在する空間（実際の物体と仮想物体を含む）を物体空間と呼ぶ、画像（実際の画像や仮想画像を含む）が存在する空間を画像空間と呼びます。この2つの空間は無限に延びており、屈折面や光学系の左側と右側に機械的に分離されていない。

しかし、物体空間媒体の屈折率は、実際の入射光が位置するシステムの前の空間媒体屈折率に基づいて計算しなければならない。画像空間媒体の屈折率は、実際の出射光が存在するシステムの背後にある空間媒体の屈折率に基づいて計算しなければならない。物理点か仮想点か、リアル点か仮想画像点かを計算します。

例えば、図3の仮想物体点Aは、システムの背後に位置しているにもかかわらず、物体空間媒体の屈折率は、点Aを指向する実際の入射光が位置する空間（すなわちレンズの前面の空間）における媒体の屈折係数に基づいて計算される。同様に、虚像点A’に対応する画像空間における媒体の屈折率は、実際に出射された光線が位置する空間（すなわちレンズの背後の空間）における媒体の屈折率に基づいて計算される。

光路可逆性定理によれば、像点A′を切り抜き点とみなすと、点A′から放射される光は点Aで交差しなければならず、点Aは光学系によって形成された画像となる。点Aと点A′との間のこの対応関係を「共役」と呼ぶ。