1.1 概述

人们对光的研究可以分为两方面：一方面是物理光学，研究光的本性，并根据光的本性来研究各种光学现象；另一方面是几何光学，也称为应用光学，研究光的传播规律和传播现象，并用这些规律去研究光学仪器的原理。

光的本质是电磁波，其波谱范围通常从远红外到真空紫外，而可见光的波段大约在380～760nm之间，超出这个范围人眼则感觉不到，如图1.1所示。在可见光波段内，不同波长的光产生不同的颜色感觉，具有单一颜色的光称为单色光，将几种单色光混合得到的光称为复色光，白光由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光组成，如太阳光。不同颜色的光对应不同的波长，但它们在真空中具有完全相同的速度c（c≈3×108m/s）。因光传播速度和材料的折射率有关，所以光传播速度在空气中可近似认为等于光速，而在水、玻璃等透明介质中，要比在真空中慢，且速度随波长而变。

图1.1 电磁波谱

几何光学是人们在观察和解释光的传播、成像以及制造光学仪器过程中所积累的经验和智慧的结晶，完全不考虑光的波动特性，仅以光的直线传播性质为基础，所以几何光学是波动光学在一定条件下的近似。采用几何学的方法，研究光在透明介质中的传播和成像规律，是研究光的传播现象及其应用的有效方法之一。

几何光学要求它所研究的对象的几何尺寸必须远大于光的波长，一般光学仪器都能符合这一条件，光学仪器中的绝大多数光学问题，用几何光学都可以得到合理、正确的结果。而且几何光学在描述和处理光的传播和成像时，可以用几何作图和公式计算来设计光学系统，这种方法简洁明了，数据合理可靠，所以几何光学的理论得到广泛应用和不断发展。

几何光学的几个基本概念介绍如下。

1．发光体与发光点

凡能辐射光能的物体统称为发光体或光源，一切自身发光或受到光照射而发光的物体均可视为发光体。当发光体的大小与辐射光能的作用距离相比可以忽略时，则此发光体可视为发光点或点光源，在几何光学中，认为发光点是一个既无大小又无体积的几何点。任何被成像的物体都是发光体，均由无数个发光点组成。

2．波面

发光体向四周辐射光波，某一时刻光振动位相相同的点所构成的面称为波振面，简称波面，波面可以是平面波、球面波或任意曲面波，光的传播即光波波面的传播。

3．光线

由物理光学可知，在各向同性的均匀介质中，辐射能量是沿波面的法线方向传播的，因此，物理光学中的波面法线即相当于几何光学中的光线，即光线垂直于波面。几何光学把光线看做是无直径、无体积，携带光能只有位置和方向的几何线，代表光的传播方向。

4．光束

无限多条光线的集合称为光束，常见的光束有同心光束、平行光束、像散光束，如图1.2所示。

图1.2 光束与波面

同心光束是指相交于同一点或由同一点发出的一束光线，分为会聚光束和发散光束，其对应的波面形状为球面；平行光束是指没有聚交点而互相平行的光线束，对应的波面形状为平面；像散光束是指不聚交于同一点或不是由同一点发出的光束，对应的波面形状为非球面，即由于像差的存在，同心光束经光学系统后不再是同心光束，对应的波面为非球面波。

几何光学研究光的传播也就是研究光线的传播，光线是一些具有方向的几何线，几何光学使光传播问题大为简化，因此以光线作为基本概念的几何光学理论具有很重要的实用价值，至今仍是重要的成像理论。