在幾何光學(xué)中，所謂的理想光學(xué)系統(tǒng)，就是對足夠大空間內(nèi)的各個(gè)點(diǎn)能以足夠?qū)捁馐�成完善像、理想像的光學(xué)系統(tǒng)。理想光學(xué)系統(tǒng)將物空間的同心寬光束轉(zhuǎn)換到像空間的同心光束，這種從一個(gè)空間變換到另一個(gè)空間的情況，在數(shù)學(xué)上可以歸結(jié)成“共線變換”或“共線成像”的問題，這種共軸理想光學(xué)系統(tǒng)理論是由高斯建立起來的，因此人們也把理想光學(xué)系統(tǒng)理論稱為高斯光學(xué)。

基本特性

理想光學(xué)系統(tǒng)理論是在1841年由高斯提出來的，所以理想光學(xué)系統(tǒng)理論又稱為“高斯光學(xué)”。在各向同性的均勻介質(zhì)中，理想光學(xué)系統(tǒng)的物像關(guān)系應(yīng)具備以下特性：

1、點(diǎn)成點(diǎn)像：即對于物空間的每一點(diǎn)，在像空間必有一個(gè)點(diǎn)與之相對應(yīng)，且只有一個(gè)點(diǎn)與之對應(yīng)，這樣的兩個(gè)對應(yīng)點(diǎn)稱為物像空間的共軛點(diǎn)（如圖1中的A點(diǎn)和A′點(diǎn)）。

圖1

2、線成線像：即對于物空間的每一條直線，在像空間必有一條直線與之相對應(yīng)，且只有一條直線與之對應(yīng)，這樣的兩條對應(yīng)直線稱為物像空間的共軛線（如圖1中的BC和B′C′）。

3、平面成平面像：即物空間的每一個(gè)平面，在像空間必有一個(gè)平面與之相對應(yīng)，且只有一個(gè)平面與之對應(yīng)，這樣的兩個(gè)對應(yīng)平面稱為物像空間的共軛面（如圖1中的PQ面和P′Q′面）。

由此推廣，如果物空間上任意一點(diǎn)D位于直線BC上，那么其在像空間的共軛點(diǎn)D′也必位于共軛線B′C′上。同樣，物空間中的一個(gè)同心光束必對應(yīng)于像空間中的另一同心光束。上述這種點(diǎn)對點(diǎn)、直線對直線、平面對平面的成像，稱為共線成像。

共線成像理論是理想光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論，它只是基本假設(shè)，實(shí)際中是不存在這樣的理想光學(xué)系統(tǒng)的。顯然，理想光學(xué)系統(tǒng)是實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的努力方向，所以搞清楚理想光學(xué)系統(tǒng)的基本特征，對尋求在某些方面接近于理想光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際系統(tǒng)是有益的。在設(shè)計(jì)實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，人們常采用理想光學(xué)系統(tǒng)所抽象出來的一些光學(xué)特性和公式進(jìn)行實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的初始計(jì)算，以使實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為可能，并使其計(jì)算得以簡化，質(zhì)量得到提高。

在實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的近軸區(qū)可以滿足共線成像理論，因此，在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，往往以其近軸區(qū)的成像性質(zhì)來衡量該系統(tǒng)的質(zhì)量。

基點(diǎn)和基面

根據(jù)理想光學(xué)系統(tǒng)的特性，如果在物空間有一條和光學(xué)系統(tǒng)光軸平行的光線射入到理想光學(xué)系統(tǒng)，則在像空間必有一條光線與之相共軛。

圖2