El patrón que se produce por la acción de un sistema óptico sobre los rayos emitidos por un objeto y que reproduce los contornos y detalles del objeto. El uso práctico de una imagen óptica a menudo implica un cambio en la escala de las imágenes del objeto y la proyección sobre una superficie (como una pantalla, una película fotográfica o un fotocátodo). La base de la percepción visual de un objeto es su imagen óptica, proyectada sobre la retina del ojo.

La correspondencia máxima de la imagen con el objeto se logra cuando cada punto del objeto está representado por un punto. En otras palabras, después de todas las refracciones y reflejos en el sistema óptico, los rayos emitidos por la fuente de luz deben intersectarse en un solo punto. Sin embargo, esto no es posible para cada ubicación de un objeto con respecto al sistema. Por ejemplo, en el caso de sistemas que tienen un eje de simetría (un eje óptico), las imágenes ópticas de puntos solo se pueden producir para aquellos puntos que se encuentran en un ligero ángulo con el eje, en la llamada región paraxial. La ubicación de la imagen óptica de cualquier punto de la región paraxial se puede encontrar aplicando las leyes de la óptica geométrica; el conocimiento de la ubicación de los puntos cardinales del sistema es suficiente para este propósito.

La totalidad de puntos cuya imagen óptica se puede producir por medio de un sistema óptico forma un espacio de objeto, y la totalidad de las imágenes de puntos de estos puntos forma el espacio de imagen.

Se hace una distinción entre imágenes ópticas reales y virtuales. Las imágenes reales se crean mediante haces de rayos convergentes en sus puntos de intersección. La imagen óptica real se puede observar colocando una pantalla o película fotográfica en el plano de intersección de los rayos. En otros casos, los rayos que emergen de un sistema óptico divergen, pero si continúan mentalmente en la dirección opuesta, se intersectarán en un solo punto. Este punto se llama la imagen virtual de un objeto puntual; no corresponde a la intersección de rayos reales, y por lo tanto una imagen óptica virtual no se puede producir en una pantalla o grabar en una película. Sin embargo, una imagen óptica virtual puede desempeñar el papel de un objeto con respecto a otro sistema óptico (por ejemplo, el ojo o una lente convergente), que la convierte en una imagen real.

Un objeto óptico es un conjunto de puntos iluminados por luz propia o reflejada. Si se conoce la forma en que un sistema óptico representa cada punto, es fácil construir una imagen de todo el objeto.

Las imágenes ópticas de objetos reales en espejos planos son siempre virtuales (ver Figura 1, a); en espejos cóncavos y lentes convergentes, pueden ser imágenes reales o virtuales, dependiendo de la distancia de los objetos al espejo o lente (Figura 1, c y d). Los espejos convexos y las lentes divergentes solo producen imágenes ópticas virtuales de objetos reales (Figura 1, b y e). La ubicación y las dimensiones de una imagen óptica dependen de las características del sistema óptico y de la distancia entre éste y el objeto. Solo en el caso de un espejo plano, una imagen óptica siempre tiene el mismo tamaño que el objeto.

Si un objeto puntual no se encuentra en la región paraxial, entonces los rayos que emergen de él y pasan a través del sistema óptico no se recogen en un solo punto, sino que intersectan el plano de imagen en diferentes puntos, formando un punto aberracional; el tamaño del punto depende de la ubicación del objeto puntual y del diseño del sistema. Solo los espejos planos son sistemas ópticos no aberracionales (ideales) que producen una imagen puntual de un punto. En el diseño de los sistemas ópticos se corrigen las aberraciones, es decir, se hace un esfuerzo para garantizar que las aberraciones de dispersión no deterioren la imagen en un grado notable; sin embargo, la eliminación completa de las aberraciones es imposible.

Cabe señalar que lo anterior es estrictamente válido solo en el marco de la óptica geométrica, que, aunque bastante satisfactoria en muchos casos, no es más que un método aproximado para describir los fenómenos que ocurren en los sistemas ópticos. Solo en óptica geométrica, donde se utiliza la abstracción de la naturaleza ondulatoria de la luz y, en particular, no se tienen en cuenta los fenómenos de difracción de la luz, puede considerarse que la imagen óptica de un punto luminoso es una imagen puntual. Un examen más detallado de la microestructura de una imagen óptica, teniendo en cuenta la naturaleza ondulatoria de la luz, muestra que una imagen puntual, incluso en un sistema ideal (no terrorista), es un patrón de difracción complejo en lugar de un punto.

Figura 1. Formación de imágenes ópticas: a) imagen virtual M’ del punto M en un espejo plano, b) imagen virtual M ‘del punto M en un espejo esférico convexo, c) imagen virtual M’ del punto M e imagen real AB ‘del punto N en un espejo esférico cóncavo, d) imagen real A’B ‘e imagen virtual M’N’ de objetos AB y MN en una lente convergente, e) imagen virtual M’N’ del objeto MN en una lente divergente; (i) y (j) ángulos de incidencia de rayos, (i’) y (j’) ángulos de reflexión, (C) centros de esferas, (F) y (F’) focos de lentes

La distribución de la densidad de energía luminosa en la imagen es significativa para la evaluación de la calidad de una imagen óptica, que ha adquirido gran importancia debido al desarrollo de métodos fotográficos, televisivos y de otro tipo. Para ello se utiliza una característica especial, el contraste k = (Emax—Emin)/(Emax— Emin), en el que el Emin y el Emax son los valores más bajos y mayores de iluminación de la imagen óptica de un objeto de prueba estándar. Una cuadrícula cuyo brillo varía sinusoidalmente con una frecuencia R (el número de períodos de la cuadrícula por milímetro) se usa generalmente como un objeto de prueba estándar: k depende de R y de la dirección de las líneas de la cuadrícula. La función k (R) se denomina característica de contraste de frecuencia. En sistemas ideales k = 0 cuando R = 2A’ / \ o más, cuando A ‘ es la apertura numérica del sistema en el espacio de imagen y X es la longitud de onda de la luz. Cuanto menor sea la k para una R dada, peor será la calidad de la imagen óptica en el sistema en particular.