幾何光學是光學學科中以光線為基礎(chǔ),研究光的傳播和成像規(guī)律的一個重要的實用性分支學科。在幾何光學中,把組成物體的物點看作是幾何點,把它所發(fā)出的光束看作是無數(shù)幾何光線的集合,光線的方向代表光能的傳播方向。在此假設(shè)下,根據(jù)光線的傳播規(guī)律,在研究物體被透鏡或其他光學元件成像的過程,以及設(shè)計光學儀器的光學系統(tǒng)等方面都顯得十分方便和實用。
YMm Fpy 但實際上,上述光線的概念與光的波動性質(zhì)相違背,因為無論從能量的觀點,還是從光的衍射現(xiàn)象來看,這種幾何光線都是不可能存在的。所以,幾何光學只是波動光學的近似,是當光波的波長很小時的極限情況。作此近似后,幾何光學就可以不涉及光的物理本性,而能以其簡便的方法解決光學儀器中的光學技術(shù)問題。
aIJ[K 光線的傳播遵循三條基本定律:光線的直線傳播定律,既光在均勻媒質(zhì)中沿直線方向傳播;光的獨立傳播定律,既兩束光在傳播途中相遇時互不干擾,仍按各自的途徑繼續(xù)傳播,而當兩束光會聚于同一點時,在該點上的光能量是簡單的相加;反射定律和折射定律,既光在傳播途中遇到兩種不同媒質(zhì)的光滑分界面時,一部分反射另一部分折射,反射光線和折射光線的傳播方向分別由反射定律和折射定律決定。
T#h`BtET[ 基于上述光線傳播的基本定律,可以計出光線在光學系統(tǒng)中的傳播路徑。這種計算過程稱為光線追跡,是設(shè)計光學系統(tǒng)時必須進行的工作。
CJ%7M`zy 幾何光學中研究和討論光學系統(tǒng)理想成像性質(zhì)的分支稱為高斯光學,或稱近軸光學。它通常只討論對某一軸線(即光軸)具有旋轉(zhuǎn)對稱性的光學系統(tǒng)。如果從物點發(fā)出的所有光線經(jīng)光學系統(tǒng)以后都交于同一點,則稱此點是物點的完善像。
;:'A{&0N 如果物點在垂軸平面上移動時,其完善像點也在垂軸平面上作線性移動,則此光學系統(tǒng)成像是理想的。可以證明,非常靠近光軸的細小物體,其每個物點都以很細的、很靠近光軸的單色光束被光學系統(tǒng)成像時,像是完善的。這表明,任何實際的光學系統(tǒng)(包括單個球面、單個透鏡)的近軸區(qū)都具有理想成像的性質(zhì)。
=1LrU$\ 為便于一般地了解光學系統(tǒng)的成像性質(zhì)和規(guī)律,在研究近軸區(qū)成像規(guī)律的基礎(chǔ)上建立起被稱為理想光學系統(tǒng)的光學模型。這個模型完全撇開具體的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu),僅以幾對基本點的位置以及一對基本量的大小來表征。
-LQ%)'J ZN 根據(jù)基本點的性質(zhì)能方便地導(dǎo)出成像公式,從而可以了解任意位置的物體被此模型成像時,像的位置、大小、正倒和虛實等各種成像特性和規(guī)律。反過來也可以根據(jù)成像要求求得相應(yīng)的光學模型。任何具體的光學系統(tǒng)都能與一個等效模型相對應(yīng),對于不同的系統(tǒng),模型的差別僅在于基本點位置和焦距大小有所不同而已。
{OB\~$TH 高斯光學的理論是進行光學系統(tǒng)的整體分析和計算有關(guān)光學參量的必要基礎(chǔ)。
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