幾何光學(xué)是光學(xué)學(xué)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(shí)用性分支學(xué)科。在幾何光學(xué)中,把組成物體的物點(diǎn)看作是幾何點(diǎn),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(xué)元件成像的過程,以及設(shè)計(jì)光學(xué)儀器的光學(xué)系統(tǒng)等方面都顯得十分方便和實(shí)用。
M4:s;@qZ. 但實(shí)際上,上述光線的概念與光的波動性質(zhì)相違背,因?yàn)闊o論從能量的觀點(diǎn),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(xué)只是波動光學(xué)的近似,是當(dāng)光波的波長很小時的極限情況。作此近似后,幾何光學(xué)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(xué)儀器中的光學(xué)技術(shù)問題。
|r !G, 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(dú)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(dāng)兩束光會聚于同一點(diǎn)時,在該點(diǎn)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。
J@Yj\9U 基于上述光線傳播的基本定律,可以計(jì)出光線在光學(xué)系統(tǒng)中的傳播路徑。這種計(jì)算過程稱為光線追跡,是設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時必須進(jìn)行的工作。
J>h;_jA 幾何光學(xué)中研究和討論光學(xué)系統(tǒng)理想成像性質(zhì)的分支稱為高斯光學(xué),或稱近軸光學(xué)。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(xué)系統(tǒng)。如果從物點(diǎn)發(fā)出的所有光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)以后都交于同一點(diǎn),則稱此點(diǎn)是物點(diǎn)的完善像。
QC7k~I8 如果物點(diǎn)在垂軸平面上移動時,其完善像點(diǎn)也在垂軸平面上作線性移動,則此光學(xué)系統(tǒng)成像是理想的。可以證明,非常靠近光軸的細(xì)小物體,其每個物點(diǎn)都以很細(xì)的、很靠近光軸的單色光束被光學(xué)系統(tǒng)成像時,像是完善的。這表明,任何實(shí)際的光學(xué)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)。
FM\[]. 為便于一般地了解光學(xué)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(xué)系統(tǒng)的光學(xué)模型。這個模型完全撇開具體的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),僅以幾對基本點(diǎn)的位置以及一對基本量的大小來表征。
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