wzór, który jest wytwarzany przez działanie układu optycznego na promienie emitowane przez obiekt i który odtwarza kontury i szczegóły obiektu. Praktyczne wykorzystanie obrazu optycznego często wiąże się ze zmianą skali obrazów obiektu i rzutowaniem na powierzchnię (taką jak ekran, film fotograficzny lub fotokatoda). Podstawą percepcji wzrokowej obiektu jest jego obraz optyczny, rzutowany na siatkówkę oka.

Maksymalna zgodność obrazu z obiektem jest osiągana, gdy każdy punkt obiektu jest reprezentowany przez punkt. Innymi słowy, po wszystkich załamaniach i odbiciach w układzie optycznym promienie emitowane przez źródło światła powinny przecinać się w jednym punkcie. Nie jest to jednak możliwe dla każdej lokalizacji obiektu w odniesieniu do systemu. Na przykład, w przypadku układów, które mają oś symetrii (Oś optyczna), punktowe obrazy optyczne mogą być wytwarzane tylko dla tych punktów, które leżą pod niewielkim kątem do osi, w tak zwanym regionie przyosiowym. Położenie obrazu optycznego dowolnego punktu obszaru przyosiowego można znaleźć stosując prawa optyki geometrycznej; znajomość położenia punktów kardynalnych układu jest do tego wystarczająca.

całość punktów, których obraz optyczny może być wytworzony za pomocą układu optycznego, tworzy przestrzeń obiektu, a całość obrazów punktów tych punktów tworzy przestrzeń obrazu.

rozróżnia się rzeczywiste i wirtualne obrazy optyczne. Prawdziwe obrazy są tworzone przez zbiegające się wiązki promieni w ich punktach przecięcia. Rzeczywisty obraz optyczny można zaobserwować, umieszczając ekran lub film fotograficzny w płaszczyźnie przecięcia promieni. W innych przypadkach promienie wychodzące z układu optycznego rozchodzą się, ale jeśli są mentalnie kontynuowane w przeciwnym kierunku, przecinają się w jednym punkcie. Punkt ten nazywany jest wirtualnym obrazem obiektu punktowego; nie odpowiada on przecięciu promieni rzeczywistych, a zatem wirtualny obraz optyczny nie może być wytwarzany na ekranie ani rejestrowany na filmie. Jednak wirtualny obraz optyczny może odgrywać rolę obiektu w odniesieniu do innego układu optycznego (na przykład oka lub soczewki zbieżnej), który przekształca go w rzeczywisty obraz.

obiekt optyczny to zbiór punktów oświetlonych własnym lub odbitym światłem. Jeśli znany jest sposób, w jaki układ optyczny reprezentuje każdy punkt, łatwo jest skonstruować obraz całego obiektu.

obrazy optyczne rzeczywistych obiektów w płaskich zwierciadłach są zawsze wirtualne (patrz rysunek 1, a); w lusterkach wklęsłych i soczewkach zbieżnych mogą to być obrazy rzeczywiste lub wirtualne, w zależności od odległości obiektów od lustra lub soczewki (Rysunek 1, c I d). Wypukłe lustra i rozbieżne soczewki wytwarzają tylko wirtualne obrazy optyczne rzeczywistych obiektów (Rysunek 1, b i e). Położenie i wymiary obrazu optycznego zależą od charakterystyki układu optycznego i od odległości między nim a obiektem. Tylko w przypadku lustra płaskiego obraz optyczny jest zawsze równy rozmiarowi obiektu.

Jeśli obiekt punktowy nie leży w obszarze przyosiowym, to promienie, które z niego wychodzą i przechodzą przez układ optyczny, nie są zbierane w jednym punkcie, ale raczej przecinają płaszczyznę obrazu w różnych punktach, tworząc aberracyjny punkt; rozmiar plamki zależy od lokalizacji obiektu punktowego i konstrukcji systemu. Tylko płaskie zwierciadła są nieaberracyjnymi (idealnymi) układami optycznymi, które wytwarzają punktowy obraz punktu. W projektowaniu układów optycznych korygowane są aberracje—to znaczy dokłada się starań, aby aberracje rozpraszające nie pogarszały obrazu w zauważalnym stopniu; jednak całkowite wyeliminowanie aberracji jest niemożliwe.

należy zauważyć, że powyższe jest ściśle obowiązujące tylko w ramach optyki geometrycznej, która, choć w wielu przypadkach dość zadowalająca, jest jednak jedynie przybliżoną metodą opisu zjawisk zachodzących w układach optycznych. Jedynie w optyce geometrycznej, w której wykorzystuje się abstrakcję z falowej natury światła, a w szczególności nie uwzględnia się zjawisk dyfrakcji światła, obraz optyczny punktu świetlnego można uznać za obraz punktowy. Bardziej szczegółowe badanie mikrostruktury obrazu optycznego, biorąc pod uwagę falową naturę światła, pokazuje, że obraz punktowy, nawet w idealnym (nieaberracyjnym) systemie, jest raczej złożonym wzorem dyfrakcyjnym niż punktem.

Rysunek 1. Tworzenie obrazów optycznych: a) obraz wirtualny M 'punktu M w zwierciadle płaskim, b) obraz wirtualny m’ punktu M w zwierciadle sferycznym wypukłym, c) obraz wirtualny m 'punktu M i obraz rzeczywisty AB’ punktu N w zwierciadle sferycznym wklęsłym, d) obraz rzeczywisty A’ B’ i obraz wirtualny m’ obiektów AB i MN w soczewce zbieżnej, e) obraz wirtualny m ’ obiektu MN w soczewce rozbieżnej; (i) I (j) kąty padania promieni, (i’) I (j’) kąty odbicia, (C) centra sfer, (F) I (F’) ogniska soczewek

rozkład gęstości energii świetlnej w obrazie jest istotny dla oceny jakości obrazu optycznego, który zyskał ogromne znaczenie ze względu na rozwój metod fotograficznych, telewizyjnych i innych. W tym celu stosuje się szczególną charakterystykę—kontrast k = (Emax— Emin)/(Emax— Emin), gdzie Emin i Emax są najmniejszymi i największymi wartościami oświetlenia obrazu optycznego standardowego obiektu badawczego. Siatka, której jasność zmienia się sinusoidalnie z częstotliwością R (liczba okresów siatki na milimetr) jest zwykle używana jako taki standardowy obiekt badawczy: K zależy od R i kierunku linii siatki. Funkcję k (R) nazywa się cechą kontrastu częstotliwościowego. W idealnych układach K = 0, gdy R= 2A '/ \ lub więcej, gdy A ’ jest aperturą numeryczną układu w przestrzeni obrazu, a X jest długością fali światła. Im niższe k dla danego R, tym gorsza będzie jakość obrazu optycznego w danym systemie.