出来るだけハードルを低くするため、薄肉の2枚レンズ系（度数も配置も具体的に指定）でご説明します。入射光線から順に、レンズL1のパワー（度数；1/焦点距離m）＝1.0D、L2=2.0D,　レンズ間隔Ｔ＝0.5mとします。（f1=1000mm, f2=500mm）

　近軸結像の公式として 1/s’ – 1/s = 1/f —–式１ があり、それをレンズごとに駆使すれば、合成焦点の位置から、合成焦点距離、主点の位置等まで求められますが、レンズ枚数が増えるほど、計算が煩雑になって行きます。レンズを通過するごとに、レンズ間隔を調整したり、s’ の逆数を求めたりしないといけません。
　式1は、物点距離＝s　、像点距離＝s’、焦点距離＝f と置いていますが、ここで、1式の両辺に、”h”を掛けてみます。hは光線の指定位置に於ける光軸からの高さを表します。
すると、1式は、
h/s’ – h/s =h/f　　　となります。
　さらに、1/f =Φ（レンズのパワー）、また、h/s’ 、h/s　を、光線の傾き(tangent)として定義し、
h/s’＝α’、h/s＝α とすると、
α’＝α＋hΦ　と書けます。
（近軸式なのに、hを定義するのはおかしいのでは？と思うかも知れませんが、もともと、ｈは元の式の両辺に平等に掛けた数値であるため、単位はもとより、いくら大きな数値を設定してもかまわないのです。）

　αは、屈折する点に入射する直前の光線の傾き、α’は屈折後の光線の傾き、h は入射点の光軸からの高さを表します。傾斜角の正負は、光線同様に（レンズに対して）右側の結像点（物点）距離が＋になるように設定します。（右下がりの傾斜が＋）
　屈折直後の h’ は h と変わらないので、
h=h’　となります。
以上から、屈折マトリックス（行列）として、以下の行列が定義されます。（Φはレンズのパワー）

上記を行列表記でまとめると、こうなります。↑

レンズL1とＬ2の間は屈折が起こらず、hだけが変化するので、
α’＝α、h’=h-αt となります。
行列で表記すると、

　　　　　　　　　　　　を、移行マトリックスと言います。
　両マトリックスとも、行列式の値は”1”であり、いくら掛け合わせても、結果の行列の行列式も常に1であることは、注目に値します。それを利用すると、一見絶望的に複雑な主点位置の計算も、いとも簡単に解けるわけです。

　お察しのように、レンズが何枚になろうと、屈折と移行のマトリックスを順に掛け合わして行けば、焦点位置、距離、途中の光束の太さから主点位置まで、簡単に求めることが出来るわけです。
　では、実例に則してやってみましょう。
2枚のレンズのパワー(1/f）は順に1.0Dと2.0D、間隔＝0.5mとします。
（Dはレンズの度数単位で、焦点距離（m)の逆数。）

　行列の計算順序の都合により、上の光路図のレンズの並びと該当行列の並びが逆になっていることにご注意ください。
（　　）は、右端から左向きに、L1の屈折マトリックス→Ｔの移行マトリックス→L2の屈折マトリックスとなります。この掛け算を行うと。

となり、これを、L1～L2までのシステムｰマトリックスと言います。
(行列の掛け算は、結合法則は成り立ちますが (AB)C=A(BC)、交換法則は成り立たない ABC ≠CAB のでご注意ください。）
　このシステムマトリックスに、左から、高さ(h)＝1で、傾角＝0（光軸に平行）の光線を投入してみましょう。行列式は、

　これは、ｈ1＝1の高さでL1に入射した光線が、L2上の点P2で屈折した直後の光線の要素（傾角と高さ）を表しています。これから、この2枚レンズの合成パワー＝2.0Dであること、また、h2＝h1/2であることも分かります。
　また、この例に限らず、システムマトリックスの右上の成分が常にシステムのパワー（度数）になっていることにもご注目ください。

では、今度は、L1のパワーをA、L2のパワーをB、Ｔ＝レンズ間隔 として、L1～L2のシステムマトリックスの一般式を導いてみましょう。

計算すると、

右上の成分がこの2枚レンズ系の合成パワーですが、何か、見覚えはありませんか？
（D=D1+D2 – D1XD2t　は2枚レンズの合成パワーの公式）

—-つづく

　長年天文をやって来た方は、肉薄（厚み＝ゼロと見なせる）レンズの近軸結像公式には慣れておられると思いますが、現実には、厚みの無い光学系は存在しませんし、近似的に厚みを無視するにしても、対物レンズ＋レデューサー/エクステンダー　とか、複数の光学素子で構成された光学系のパワー（焦点距離）を考察したいことがある（あった）はずです。
　そうしたケースで、”焦点”については理解できても、ではその”合成焦点距離”はどこを基点に測るのか？という問いの答を迫られたことがあるはずです。
　それをちゃんと理解するには、どうしても、”主点”という物を理解しないといけません。　言葉にすると、主点とは、”その光学系内の倍率＝＋1となる一対の共役面が光軸と交わる点（物側主点と像側主点）” のことですが、その定義を初めて聞いて、明瞭な絵が描ける方は少ないと思います。

　そこで、誰でも視覚的に主点のことが明瞭に理解できるモデルを描いてみました。
　数式を用いた考察も可能なのですが、今回は、まずは視覚的に理解して欲しいので、数式には踏み込みません。
　主点よりも理解しやすい概念として、”節点”というのがあるので、まずは節点をご説明します。　実は、空気中の光学系では、節点は主点と合致するため、節点を理解すれば、主点を理解したことになるからです。
　節点は、”角倍率＝＋1となる一対の共役面が光軸と交わる点”ですが、上図をしっかり見ていただけば納得いただけるはずです。

　厚いレンズを貫く光線の内、入射光線と出射光線が平行になるものが必ず存在します。
第1面 R1（球面）と第2面 R2の球心をそれぞれ、O1,O2とします。
B-O1//C-O2となるように入射（射出）する光線 ABCD について、ABの延長とCDの逆延長が光軸と交わる点、N1,N2がそれぞれ、物側、像側節点であり、空気中では、主点と合致します。
（＊　B-O1 // C-O2 なのでB,C点に於けるR1,R2の接平面も互いに平行になる。）
　付け加えますと、N1,N2は特定の条件のみで成り立つ共役点ではなく、一般的に成り立つ共役点であるということが大事です。少なくとも近軸領域では、入射角度に関係なく、N1を目指して入射する光線は全てＮ2から出射するということ。さらに、N1,N2を通って光軸に垂直な共役面上に於いて、N1上の平面の、光軸からhの高さに入射する光線は、必ず、同じ高さ（ｈ）のＮ2上の平面の共役点から出射するということで、厚みがある光学系でも、厚みゼロのレンズの近軸公式が成り立つ、ということになります。
　蛇足と言われるかも分かりませんが、つまずいている方のために一言。

”焦点”とは、文字通り、凸レンズを太陽にかざして、物が焦げる点なのですが、幾何光学で議論する物点も像点も、そうした”実”の点だけではなく、実際には光線はそこを通らないような、虚の物点や虚の像点がむしろ多く、一々その区別をすることはしません。

　節点や主点も、実際に光線がそこから出たり入ったりするのではなく、そこに向かう、そこから出る、という意味です。

　N1に向かう全ての光線が、N2から出るということです。図の主光線ADCDは、実際にはN1もN2も通りませんが、そこに向かい、そこから出る、ということです。

　さらに、上の光路図は、N1,N2が両方共レンズ内にあって、物側、像側の並びになっていますが、それは分かりやすいモデルとして採用しただけであり、その並びは光学系によって逆もあり、さらにレンズの外にあることが多いものです。
　今まで理解できなかったが、初めてよく分かった！という方がおられましたら手を挙げていただけると、大いに励みになります。