光學系統（optical system）是指由透鏡、反射鏡、稜鏡和光闌等多種光學元件按一定次序組合成的系統。通常用來成像或做光學信息處理。曲率中心在同一直線上的兩個或兩個以上折射（或反射）球面組成的光學系統稱為共軸球面系統，曲率中心所在的那條直線稱為光軸。
一個光學系統除了要考慮高斯光學的有關問題，諸如物像共軛位置、放大率、轉像和轉折光路等以外，還需考慮成像範圍的大小、成像光束孔徑角的大小、成像波段的寬窄以及像的清晰度和照度等一系列問題。滿足一系列要求的實際光學系統往往不是幾個透鏡的簡單組合，而由一系列透鏡、曲面反射鏡、平面鏡、反射稜鏡和分劃板等多種光學零件組成，並且要通過合理設定光闌、精細校正像差和恰當確定光學零件的橫向尺寸等手段才能得到合乎需要的高質量系統。
基本介紹
- 中文名：光學系統
- 外文名：optical system
- 用途：通常用來成像或做光學信息處理
- 實際系統：高斯光學等的有關問題
- 理論：光線和波面的傳播規律
理想光學系統,物像關係,放大率,橫向放大率,縱向放大率,角放大率,光闌,孔徑光闌,視場光闌,相對孔徑,漸暈現象,成像光束,像差,對稱共軸作圖,
理想光學系統
線均交於同一點的光束稱為同心光束。入射的同心光束經理想光學系統後，出射光束必定也是同心光束。入射和出射同心光束的交點分別稱為物點和像點。理想光學系統具有下述性質：①交於物點的所有光線經光學系統後，出射光線均交於像點。反之亦然。這一對物像可互換的點稱為共軛點。②物方的每條直線對應像方的一條直線稱共軛線；相對應的面稱共軛面。③任何垂直於光軸的平面，其共軛面仍與光軸垂直。④對垂直於光軸的一對共軛平面，橫向放大率為常量。研究理想光學系統上述物像兩方一一對應關係的理論稱為高斯光學。首先由德國科學家C.高斯在1841年的著作中闡明。實際上不存在真正的理想光學系統。共軸球面系統在近軸條件下可近似滿足理想光學系統的要求。
基點和基面
決定理想光學系統物像共軛關係的幾對特殊的點和面。
焦點和焦面
光軸上與無窮遠像點共軛的點稱為物方焦點（或第一焦點），記作F；光軸上與無窮遠物點共軛的點稱為像方焦點（或第二焦點），記作F'。通過F和F′點並與光軸垂直的面稱為物方焦面（第一焦面）和像方焦面（第二焦面）。
主點和主面
橫向放大率等於1的一對共軛面稱主面，兩主面與光軸的交點稱主點。從物方焦點F發出的任一光線，經光學系統後成為平行於光軸的光線，延長這對共軛光線得其交點M，這交點的集合構成物方主面（第一主面），該主面與光軸的交點H稱物方主點（第一主點）。平行於光軸的光線入射後，出射光線交於像方焦點F'，延長這對共軛光線得其交點M'，該交點的集合構成像方主面（第二主面），它與光軸的交點H'稱像方主點（第二主點）。兩主面是一對共軛面，兩主點是一對共軛點。兩主面上任一對共軛點離光軸的高度相等，橫向放大率為1。
節點和節面
物像關係
f'/s'+f/s=1
此式稱高斯公式。物、像位置也可用x、x'表示，兩者間的關係為：
xx'=ff'
此式稱牛頓公式。
放大率
橫向放大率
像高y'與物高y之比，亦稱垂軸放大率，用β表示，即：
β=y'/y=－ns'/n's
式中n和n'為物方和像方空間的折射率。
縱向放大率
光軸上像沿光軸的縱深度與物的縱深度的比值，用α表示。α與β的關係為：
α=β2n'/n
角放大率
γ=u'/u=tanu'/tanu=ny/n'y'
故有：
n'y'u'=nyu
此為拉格朗日－亥姆霍茲定理。
三種放大率間有如下關係：
αγ=β
光闌
光學系統的各個光學零件都由各自的鏡框限定其通光孔，絕大多數情況下是圓孔。有時還在系統中加入固定的或可變的專設光孔。在所有這些光孔中，一定有一個光孔起著限制軸上點成像光束孔徑角的作用；另外有一個光孔起著限制成像範圍的作用。這樣的光孔稱為光闌：前者稱孔徑光闌或有效光闌；後者稱視場光闌。任何光學系統必定存在這樣二個光闌。
孔徑光闌
由於軸上點的成像光束被孔徑光闌所限制，易於想到，將系統的所有光孔分別通過其前面的光學零件成像於物空間時，其中對軸上物點張角為最小的那個像，或當物在無窮遠時孔徑為最小的那個像所對應的光孔，一定是孔徑光闌。孔徑光闌在物空間的像稱為入射光瞳，其對物點的張角稱為物方的光束孔徑角。同樣，孔徑光闌被其後面的光學零件成在像空間的像，稱為出射光瞳，它一定也是對軸上像點張角為最小的一個光孔像，這個張角是像方的光束孔徑角。入射光瞳、孔徑光闌與出射光瞳三者是共軛的。如果忽略光闌像差，入射光瞳是物面上各點成像光束的公共入口；出射光瞳是成像光束的公共出口。通過孔徑光闌中心的光線叫主光線，因共軛關係，它也通過入射光瞳中心和出射光瞳中心。因此，一般說主光線是成像光束的中心線。
孔徑光闌在光學系統中的位置與很多因素有關。在某些系統中有特定的要求，例如，目視光學系統一定要使出射光瞳位於目鏡之外，以便眼睛的瞳孔能與之重合；遠心繫統中應使孔徑光闌位於焦點上。此外，孔徑光闌的位置還與像差校正和系統各光學零件的橫向尺寸有關，應在設計時合理確定。
視場光闌
視場光闌是光學系統中決定其成像範圍的一個光孔。在有中間實像平面的系統（例如克卜勒望遠鏡和顯微鏡）和有實像平面的系統（例如攝影系統）中，視場光闌都設定在這種像平面上。視場光闌被其前面的光學零件在物空間中所成的像稱為入射窗，它對入射光瞳中心所張的角度是所有光孔像中最小者，這個角度稱為視場角。同樣，視場光闌被其後面的光學零件在像空間所成的像稱為出射窗。入射窗、視場光闌和出射窗也是共軛的。當視場光闌設定在實像平面或中間實像平面上時，入射窗和出射窗分別與物平面和像平面重合，此時視場有明晰的邊界。在無實像或中間實像平面的場合，例如眼睛通過放大鏡或伽利略望遠鏡觀察時，系統中也總有一個零件，它的通光孔徑起著限制視場的作用，上述二情況中，放大鏡本身孔徑和望遠鏡物鏡的孔徑就是決定可見視場範圍的視場光闌。顯然，此時入射窗不與物平面重合，無明晰的視場邊界。
相對孔徑
成像儀器中物鏡直徑D與焦距f的比值。用來描述物鏡集光能力的物理量，因為像面上的光通量密度與(D/f)2成正比。相對孔徑的倒數稱光圈係數，或稱F數。攝影鏡頭都設有可調光闌（俗稱光圈），用來調節相對孔徑的大小，從而調節感光片上的光通量密度。鏡頭上刻有一系列的F數，F數每減小原值的2－1/2倍，光通量密度增大2倍。通用的F數系列值為
1，1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22,…
上述各檔數值由下式算得（經四捨五入）：11
光圈係數(F數)=(21/2)x
x為正整數，稱光圈係數的指數，也叫AV值。上述F數系列中相鄰兩檔的數值相差2倍，相應光通量密度相差2倍，AV值相差一級。
漸暈現象
在理想情況下，軸上點和軸外點的光束都受孔徑光闌的限制，有基本相同的光束孔徑角，如果視場不太大，整個視場的像面照度基本均勻。然而在實際光學系統中，軸外點成像光束往往受其他光學零件通光孔的限制，結果是軸外點的光束孔徑角比軸上點的小得多。這是因為要使軸外點也以充滿入射光瞳的光束成像時，那些遠離孔徑光闌的透鏡需要有相當大的直徑，並且對全孔徑軸外光束校正好像差也非常困難。因此，為了改善軸外點的成像質量、也為了光學零件的橫向尺寸不特別大，常用適當減小某幾個透鏡直徑的方法來對軸外光束作必要的限制。這種軸外點發出充滿入射光瞳的光束被某些光學零件部分攔截而不能全部通過光學系統的現象，稱為光束漸暈。軸外點離光軸越遠，攔截現象（即漸暈）越嚴重，結果是視場外圍的像面照度大大降低。當然，絕大部分光學系統都允許存在一定程度的漸暈。
成像光束
物點的成像光束是一個以物點為頂點，以入射光瞳為底的空間光錐。此光束經過光學系統以後，其結構會發生變化，對於軸對稱光學系統（絕大多數系統屬這一類），軸上點光束總具有對稱性質，但軸外點光束經系統後失去對稱。為便於了解這種光束的結構，通常取其二個特徵面上的平面光束來進行描述。
包含軸外物點和光軸的平面稱為子午平面。由於光學系統的軸對稱性質，軸外物點總可取在作圖平面上，即紙平面就是子午平面。位於子午平面上的光束稱為子午光束。顯然，主光線一定是子午光束中的一條光線。
包含主光線並與子午平面垂直的平面稱為弧矢平面。位於弧矢平面上的光束稱為弧矢光束。顯然，主光線就是子午平面與弧矢平面的交線。由於主光線要經系統各個表面的折射、反射而改變其方向，所以，弧矢平面也逐面發生變化而不是一個統一的平面。
由於光學系統的軸對稱性，軸上點光束無需區分子午光束與弧矢光束，軸外點光束則一定是對子午平面對稱的。
像差
透鏡（或透鏡組）所成的像與原物面貌不是準確相似的現象。由於物點發出的光線與透鏡主軸交角太大，離軸較遠或透鏡材料的折射率隨光的波長而變等原因造成。像差大小反映成像品質的優劣。像差主要有7種；對單色光有5種，即球差、彗差、像散和像面彎曲及畸變。對於複色光還有兩種色差，即軸向色差和垂軸色差。儘量消除或減少這些像差是設計光具組的一項重要任務。
對稱共軸作圖
對稱共軸的性質
①光軸上的物點，像點也在光軸上；②過光軸的截面內的物點，與其像共面；③過光軸的任意截面性質都是相同的；④垂直於軸的平面，同一面內具有相同的放大率；⑤已知兩對共軛面位置及放大率，或已知一對共軛面位置及放大率，加上光軸上的兩對共軛點，可以確定理想光學系統的成像。
作圖法證明
①已知兩對共軛面的位置和放大率，作圖證明如下：②已知一對共軛面的位置和放大率，以及軸上兩對共軛點的位置，作圖證明如下：
圖1
圖2
圖1圖2