光学成像的原理及特点（一阶光学成像原理）

1841年德国科学家高斯（C.F.Gauss）提出一阶光学（First order optics）成像原理，即近轴光学（Paraxial Optics），其理论简述如下：

“一阶光学”是将一物件和像面的关系是透镜面孔径尺寸的一次方程式，称为一阶光学。

在近轴光学中，需要定义光线的坐标系方位，通常我们认为光线从左向右传播为正，从右向左传播为负。近轴光学中有以下几种基本参数的定义：

①焦点focal point

只有无穷远处沿光轴共线方向射入的平行光线汇聚的点称为焦点。

由于光路可逆，于是在平行光通过透镜的两个方向上分别有前焦点、后焦点Focal point。平行光从右到左穿过镜组产生的焦点称为物方焦点（前焦点），反过来从左到右穿过镜组称为像方焦点（后焦点）

②主点 Principal point

当平行光线在光学系统中聚焦时，首先将聚到焦点的光线反向延伸，其次将平行入射光不考虑光学的折射效应，直接延伸使两线相交。平行光束从中心轴到边缘，相交的点形成一个面，这个面就是主面(Principal plane)，主面和光轴相交的点称为主点。

平行光在从左到右穿过镜组主点称为后主点，反过来穿过镜组此时主点称为前主点。由于在透镜系统中，物通常放在镜组左侧、像通常在镜组右侧，因此也可以用物方与像方来区分前后，即物方主点、像方主点，物方焦点、像方焦点等。

③有效焦距Effective Focal Length

从主点到焦点的距离称为有效焦距。前焦点到前主点的的距离与后焦点到后主点的距离相等，同为有效焦距。

④前焦距Front Focal Length

从镜组前表面（ V点）到前焦点（ F ）的距离。也可称为物方焦距。⑤后焦距Back Focal Length，BFL从镜组后表面（V′点）到后焦点（F′）的距离。也可称为像方焦距、背焦。

⑤节点Node

节点为光轴上的两个点。通过光学系统后，其方向可显示出第一个节点，同平行于该方向可观察出第二节点。当一光学系统固定在两边都是空气的介质下，节点会和主点重合。下图中 N1 为前节点，也称为第一节点、物方节点； N2为后节点，也称为第二节点、像方节点。

⑥曲率curvature

曲率是描述几何体弯曲程度的量，例如曲面偏离平面的程度，或者曲线偏离直线的程度。在光学中曲率与曲率半径可以整个界面上固定的（球面透镜，曲率为常数），也可以是在整个界面上变化的（非球面镜，曲率为变量）