Фокальная поверхность

В приближении геометрической оптики идеальной оптической системой считается та, которая формирует стигматическое изображение объекта. В центрированных оптических системах рассматриваются параксиальные световые пучки (распространяющиеся вблизи оптической оси центрированной оптической системы параллельно либо под малыми углами к ней), для которых действуют законы отражения и преломления^[2]. При прохождении через оптическую систему первоначально параллельного светового пучка его лучи пересекаются в одной точке, называемой фокусом системы, находящимся на главной оптической оси и называется главным фокусом оптической системы. Если оптическая система превращает параллельный пучок света в расходящийся, то продолжения расходящихся лучей также пересекаются в одной точке, называемой мнимым фокусом системы. Если он лежит на главной оптической оси, его называют главным мнимым фокусом оптической системы^[3].

В идеальной оптической системе все фокусы расположены в плоскости, перпендикулярной оптической оси системы, которую называют фокальной плоскостью.

Если световые пучки проходят под углом к главной оптической оси системы, то фокусы её располагаются в общем случае не на плоскости, а на некоторой поверхности. Фокальная плоскость идеальной оптической системы является частным случаем фокальной поверхности.

В реальных оптических системах существуют аберрации, в результате чего вместо фокусов-точек образуются пятна, и фокусы располагаются на некоторой поверхности, отличной от плоскости. Такую поверхность называют фокальной поверхностью^[4].

На рисунке показана схема прохождения лучей в собирающей линзе. Здесь ${\displaystyle L}$ — собирающая линза, ${\displaystyle a}$ — световой луч, падающий на линзу параллельно её главной оптической оси, ${\displaystyle b}$ — световой луч, падающий на линзу под углом к её главной оптической оси, горизонтальная пунктирная линия — главная оптическая ось линзы, пунктирная линия, идущая под углом к линзе — побочная оптическая ось линзы, параллельная световому лучу ${\displaystyle b}$, ${\displaystyle a'}$ и ${\displaystyle b'}$ — прошедшие сквозь линзу лучи ${\displaystyle a}$ и ${\displaystyle b}$ в случае идеальной оптической системы, ${\displaystyle F}$ — главный фокус линзы, ${\displaystyle F'}$ — побочный фокус линзы. Фокусы ${\displaystyle F}$ и ${\displaystyle F'}$ лежат в фокальной плоскости ${\displaystyle F_{p}}$ идеальной оптической системы, перпендикулярной главной оптической оси, ${\displaystyle b''}$ — луч ${\displaystyle b}$, прошедший через реальную линзу, но пересекший побочную оптическую ось не в фокальной плоскости ${\displaystyle F_{p}}$, а в фокальной поверхности ${\displaystyle F_{s}}$.