几何光学中，理想光学系统是指能够在任意空间位置以任意宽光束均成完善像的光学模型。

该模型满足物像共轭关系：l′n′​−ln​=f′n′​=−fn​其中：

• n：物方介质折射率

• n′：像方介质折射率

• l：物距（物到第一主点距离）

• l′：像距（像到第二主点距离）

• f：物方焦距

• f′：像方焦距

在理想光学系统中，物空间中的任意点A（物点）与像空间中的对应点A′（像点）构成一对共轭点，满足：

1. 物点A发出的所有光线经光学系统变换后，其出射光线必相交于唯一像点A′

2. 若光线反向传播，像点A′发出的光线必精确汇聚于物点A
   数学描述为：
   AA′=f(OA,κ)
   其中：

• A：物点空间坐标（x,y,z）

• A′：像点空间坐标（x′,y′,z′）

• f：由光学系统结构决定的映射函数

• OA：物点相对于光轴的位置矢量

• κ：系统光学参数（焦距、折射率等）

在光学系统中，若物空间和像空间均为均匀透明介质，则入射光线和出射光线遵循直线传播定律，物点P与像点P′一一对应，

且直线物映射为直线像、平面物映射为平面像，这种成像变换称为共线成像。

数学上，物空间点P(x,y,z)通过线性变换映射到像空间点P′(x′,y′,z′)，满足关系：⎝⎛​x′y′z′​⎠⎞​=M⎝⎛​xyz​⎠⎞​+b其中：

• P(x,y,z)为物点坐标。

• P′(x′,y′,z′)为像点坐标。

• M为变换矩阵，描述缩放和旋转。

• b为平移向量，表示像空间偏移。
  共线成像要求光学系统无像差，且介质折射率均匀，确保光线路径为直线。

在共轴光学系统中，成像性质具有对称性和一致性。具体包括：

1. 位于光轴上的物点，其共轭像点也必然位于光轴上。

2. 位于过光轴的某一截面内的物点，其共轭像点必位于该截面的共轭像面内。

3. 过光轴的任意截面成像性质相同，因此可用一个截面代表整个系统。

4. 垂直于光轴的物平面，其共轭像平面也垂直于光轴。

在共轴理想光学系统中，当物平面垂直于光轴时，其共轭像平面上的横向放大率 β 在整个物平面上保持恒定，即 β=yy′​=常数。
其中：

• β 表示横向放大率，无量纲。

• y 表示物高，单位为米（m）。

• y′ 表示像高，单位为米（m）。

该特性表明物和像的几何形状完全相似，且物像大小比例处处相同。

像和物的大小之比称为“放大率”。所以对共轴理想光学系统来说，垂直于光轴的同一平面上的各部分具有相同的放大率。