什么是理想光学系统？

如图2所示，O1和Ok两点分别是理想光学系统第一面和最后一面的顶点，FO1OkF′为光轴。物空间的一条平行于光轴的直线AE1经光学系统折射后，其折射光线GkF′交光轴于F′点，另一条物方光线FO1与光轴重合，其折射光线OkF′无折射地仍沿光轴方向射出。由于像方GkF′、OkF′分别与物方AE1、FO1相共轭，因此，交点F′为AE1和FO1交点（位于物方无穷远的光轴上）的共轭点，所以F′是物方无穷远轴上点的像，所有其它平行于光轴的入射光线均会聚于点F′，点F′称为光学系统的像方焦点（或称后焦点、第二焦点）。显然，像方焦点是物方无限远轴上点的共轭点。

同理，点F称为光学系统的物方焦点（或称前焦点、第一焦点），它与像方无穷远轴上点相共轭。任意一条过F点的入射光线经理想光学系统折射后，出射光线必平行于光轴。通过像方焦点F′且垂直于光轴的平面，称为像方焦平面（像方焦面）；通过物方焦点F且垂直于光轴的平面，称为物方焦平面（物方焦面）。显然，像方焦平面的共轭面在无穷远处，像方焦平面上任何一个物点发出的光束，经理想光学系统出射后必为一平行光束；同样，物方焦平面的共轭面也在无穷远处，任何一束入射的平行光，经理想光学系统折射后，必会聚于像方焦平面上的某一点。必须指出，焦点和焦面是理想光学系统的一对特殊的点和面。物方焦点F和像方焦点F′彼此之间不共轭，同样，物方焦平面和像方焦平面也不共轭。

图3

如图3所示，延长入射光线AE1和出射光线GkF′，得到交点Q′；同样，延长入射光线BEk和G1F，可得交点Q。设光线AE1和BEk的入射高度相同，且都在子午面内。显然点Q和点Q′是一对共轭点。点Q是光线AE1和FQ交成的“虚物点”；点Q′是光线BEk和GkF′交成的“虚像点”。过点Q和点Q′作垂直于光轴的平面QH和Q′H′，则这两个平面亦相互共轭。由图3可知，位于这两个平面内的共轭线段QH和Q′H′具有相同的高度，且位于光轴的同一侧，故其垂轴放大率β =+1。我们称垂轴放大率为+1的这一对共轭面为主平面，其中的QH称为物方主平面（或前主面、第一主面），Q′H′称为像方主平面（或后主面、第二主面）。物方主平面QH与光轴的交点H称为物方主点，像方主平面Q′H′与光轴的交点H′称为像方主点。

主点和主平面也是理想光学系统的一对特殊的点和面。物方主平面和像方主平面、物方主点和像方主点，它们彼此之间是共轭的。

自物方主点H到物方焦点F的距离称为物方焦距（或前焦距、第一焦距），用f表示；自像方主点H′到像方焦点F′的距离称为像方焦距（或后焦距、第二焦距），用f′表示。焦距的正、负是以相应的主点为原点来确定的。若由主点到相应焦点的方向与光线传播方向相同，则焦距为正；反之为负。图3上中所示的情况为f<0，f′>0。

由△FQH和△F′Q′H′得到物方焦距和像方焦距的表达式为

图4