几何光学文献综述

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1、几何光学文献综述摘要：通常光学分为几何光学、物理光学、量子光学。几何光学以光线为基础，研究光的传播，而这种传播可以用几个很简单的几何关系来描述，即用几何的方法研究光在介质中的传播规律和光学系统的成像特性。这就是几何光学得名的原因。在几何光学中把物体看作由几何点组成，把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表能量的传播方向，在此假设下根据光线的传播规律，研究物体被透镜或其他光学元件成像的过程，以及设计光学仪器的光学系统等方面都显得十分方便和实用。但实际上，光线的概念与光的波动性是相违背的，因为无论是从光的

2、衍射现象来看，还是从能量的观点来看，这种几何光线都不可能存在的。所以几何光学只是波动光学的近似，是光波的波长趋于零时的情况。当光学元件尺寸远大于波长时，用几何光学得出的结果与实际情况非常接近，因此在这种情况下应用几何光学来研究光学系统具有足够的精度。尽管采用几何光学的理论对光的研究只是真实情况的一种近似，但作此近似后，几何光学就可以不涉及光的物理本性，而能以其简单、直观的方式解决光学仪器中的光学技术问题，从而使这一理论得以广泛地应用和不断地发展。本文主要介绍几何光学的基本定律、成像的基本概念、光线经平面和球面及共轴球

3、面系统的成像性质和特点、理想光学系统的成像性质和特点、光学系统的光阑及其作用，光线的光路计算及像差理论、像质评价、典型光学系统等等几何光学的基本知识。关键词：几何光学  光学系统  成像一、几何光学基本定律与成像概念1、几何光学的基本定律1.1、1)光的直线传播定律：在各向同性的均匀透明介质中，光是沿着直线方向传播。如影子、日蚀、月食、小孔成像。2)光的独立传播定律：不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此互相不影响，各光束独立传播；在相交处，其相互作用是简单地相加。3)反射定律与折射定律：反射定律是反射光线位于由入射

4、光线和法线所决定的平面内；反射光线和入射光线位于法线的两侧，且反射角与入射角绝对值相等符号相反。折射定律：折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内；折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角大小无关，仅由两种介质的性质决定，即n’*sinI’=n*sinI。4)全反射现象：光线入射到两种介质的分界面时（从光密介质到光疏介质传播），在一定条件下I>Im=arcsin(n’/n)，入射到介质上的光会被全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生。5)光路的可逆性原理：一条光线从空间的A点沿着一定的路径传播到B点，若在B点投射一

5、条与在B点出射光线方向相反的光线，则此反向光线必沿原先的同一条路径通过A点，光线传播的这种性质成为光路可逆原理。在几何光学中，任何一条光线的光路都是可逆的。1.2、费马原理：光从一点传播到另一点，其间无论经过多少次折射和反射，其光程为极值。即光是沿着光程为极值（极大、极小或常量）的路径传播的。1.3、马吕斯定律：光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。2、成像的基本概念与完善成像条件2.1、光学系统与成像概念1）光学系统的主要作用之一是对物体成像。

6、2）光学系统：通常是由若干个光学元件（透镜、棱镜、反射镜和分划板等）组成，而每个光学元件都由表面为球面、平面或非球面，其间具有一定折射率的介质构成。3）共轴光学系统：光学系统的各个光学元件的表面曲率半径都在同一直线上。2.2、完善成像条件一种：入射波面为球面波时，出射波面也为球面波一种：入射光为同心光束时，出射光亦为同心光束一种：根据马吕斯定律，物点A及其像点A’之间的任意二条光路的光程相等3、光路计算与近轴光学系统3.1实际光线的光路计算图1光线进过单个折射球面的折射在给定单个折射球面的结构参量n、n′和r时，由已

7、知入射光线坐标L和U，计算折射后出射光线的坐标L′和U′：（1）（2）（3）（4）式（1）~（4）即为子午面内实际光线经过单个折射球面时的光路计算公式。若物体位于物方光轴上无限远处，这时可认为由物体发出的光束是平行于光轴的平行光束，即L＝－∞，U＝0，不能用式（1）计算角I，而入射角应按下式计算：3.2近轴光线的光路计算当孔径角U很小时，I、I’和U’都很小。这时，光线在光轴附近很小的区域内，这个区域称为近轴区，近轴区内的光线称为近轴光线。由于近轴光线的有关角度量都很小，在上所有公式中，将角度的正弦值用其相应的弧度值

8、来代替，并用小写字母表示各量，则上述的追迹公式为：（5）（6）（7）（8）由式（5）~（8）可是轴上物点在近轴区内细光束成像是完善的，这个像通常称为高斯像。通过高斯像点且垂直于光轴的平面称为高斯像面，其位置有l’决定。这样的一对构成物像关系的点称为共轭点。将式（5），（8）中的i和i’代入式（6）得：（9）（10）（11）式中Q称为阿贝不变量，