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工 程 光 学 几何光学与成像理论 第一章 几何光学基本定律与 成像概念 　几何光学主要是以光线为模型来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性。 　　本章主要介绍： 　　1.几何光学的几本定律 　　2.成像的概念和完善成像的条件 　　3.光路计算和近轴光学系统 4.球面光学成像系统 第一节 几何光学的基本定律 一、基本概念 光线：在几何光学中，通常将发光点发出的光抽象为许许多多携带能量并带有方向的几何线，即光线。光线的方向代表光的传播方向。光线的传播途径称为光路。 波面：发光点发出的光波向四周传播时，某一时刻其振动位相相同的点所构成的面称为波阵面，简称波面。光的传播即为光波波阵面的传播。 光束：在各项同性介质中，波面上某点的法线即代表了该点处光的传播方向，即光沿着波面法线方向传播，因此，波面法线即为光线。与波面对应的所有光线的集合，称为光束。 同心光束：通常波面可分为平面波、球面波和任意曲面波。与平面波对应的光束成为平行光束，与球面波对应的光束称为同心光束。 同心光束可分为会聚光束和发散光束，如图1-1所示。同心光束经实际光学系统后，由于像差的作用，将不再是同心光束，与之对应的光波则为非球面光波。 折射率：折射率是表征透明介质光学性质的重要参数。我们知道，各种波长的光在介质中的传播速度会减慢。介质的折射率正是用来描述介质中光速减慢程度的物理量，即： (1-1) 这就是折射率的定义。 二、几何光学基本定律 　　几何光学把研究光经过介质的传播问题归结为如下四个基本定律，是研究光在介质中的传播规律和光学系统的成像规律的出发点。 　（1）光的直线传播定律 　（2）光的独立传播定律 　（3）光的折射定律 　（4）光的反射定律 1.光的直线传播定律 在各向同性的均匀介质中，光是沿直线传播的。如：影子、日食、月蚀、小孔成像等。 局限于宏观尺度; 微观尺度下不成立。 2.光线的独立传播定律 从不同光源发出的光线，以不同的方向经过某点时，各光线独立传播，彼此互不影响。 局限于非相干情况，忽略光的波动性。 3.光的折射定律和反射定律 如图1-2所示，入射光线AO入射到两种介质的分界面PQ上，在O点发生折反射，其中，反射光线为OB，折射光线为OC，　　 为界面上O点处的法线。入射光线、反射光线和折射光线与法线的夹角 、 　和　分别称为入射角、反射角和折射角，它们均以锐角度量，由光线转向法线，顺时针方向旋转形成的角度为正，反之为负。 反射定律归结为： （1）反射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内； （2）反射光线和入射光线位于法线的两侧，且反射角与入射角的绝对值相等，符号相反，即： 　 (1-2) 折射定律归结为： （1） 折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内； （2） 折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角的大小无关，仅由两种介质的性质决定，即： 通常写为: (1-3) 若在此式中令　　　 ，则式(1-3)成为 　　　,此结果在形式上与反射定律的式 (1-2) 相同。 4. 光路的可逆性 由折射定律可知，折射光线与入射光线是可逆的。同样，由反射定律可知，反射光线与入射光线也是可逆的。因此，光线的传播是可逆的，这就是光路的可逆性。 　5. 全反射现象 　光线入射到两种介质的分界面时，通常都会发生折射与反射。但在一定条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，没有折射光产生，这种现象称为光的全反射现象。 下面就来研究产生全反射的条件。 　　通常，我们把分界面两边折射率较高的介质称为光密介质，而把折射率较低的介质称为光疏介质。当光从光密介质射向光疏介质且入射角　增大到某一程度时，折射角　达到 ，折射光线沿界面掠射出去，这时的入射角称为临界角，记为 。 若入射角继续增大，入射角大于临界角的那些光线不能折射进入第二种介质，而全部反射回的一种介质，即发生了全反射现象。 全反射的充要条件: （1）光线从光密介质射向光疏介质； （2）入射角大于临界角。 第二节 成像的基本概念 与完善成像条件 一、基本概念 　　光学元件：表面为平面、球面或非球面(任一曲面)，且具有特定折射率的介质构成的透明元件。 　　光学系统：由若干光学元件组成的系统。 　　共轴光学系统：系统中的各个光学元件的表面曲率中心都处在同一