1.1 概述

人們對光的研究可以分為兩方面：一方面是物理光學，研究光的本性，并根據光的本性來研究各種光學現象；另一方面是幾何光學，也稱為應用光學，研究光的傳播規律和傳播現象，并用這些規律去研究光學儀器的原理。

光的本質是電磁波，其波譜范圍通常從遠紅外到真空紫外，而可見光的波段大約在380～760nm之間，超出這個范圍人眼則感覺不到，如圖1.1所示。在可見光波段內，不同波長的光產生不同的顏色感覺，具有單一顏色的光稱為單色光，將幾種單色光混合得到的光稱為復色光，白光由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七色光組成，如太陽光。不同顏色的光對應不同的波長，但它們在真空中具有完全相同的速度c（c≈3×108m/s）。因光傳播速度和材料的折射率有關，所以光傳播速度在空氣中可近似認為等于光速，而在水、玻璃等透明介質中，要比在真空中慢，且速度隨波長而變。

幾何光學是人們在觀察和解釋光的傳播、成像以及制造光學儀器過程中所積累的經驗和智慧的結晶，完全不考慮光的波動特性，僅以光的直線傳播性質為基礎，所以幾何光學是波動光學在一定條件下的近似。采用幾何學的方法，研究光在透明介質中的傳播和成像規律，是研究光的傳播現象及其應用的有效方法之一。

幾何光學要求它所研究的對象的幾何尺寸必須遠大于光的波長，一般光學儀器都能符合這一條件，光學儀器中的絕大多數光學問題，用幾何光學都可以得到合理、正確的結果。而且幾何光學在描述和處理光的傳播和成像時，可以用幾何作圖和公式計算來設計光學系統，這種方法簡潔明了，數據合理可靠，所以幾何光學的理論得到廣泛應用和不斷發展。

幾何光學的幾個基本概念介紹如下。

1．發光體與發光點

凡能輻射光能的物體統稱為發光體或光源，一切自身發光或受到光照射而發光的物體均可視為發光體。當發光體的大小與輻射光能的作用距離相比可以忽略時，則此發光體可視為發光點或點光源，在幾何光學中，認為發光點是一個既無大小又無體積的幾何點。任何被成像的物體都是發光體，均由無數個發光點組成。

2．波面

發光體向四周輻射光波，某一時刻光振動位相相同的點所構成的面稱為波振面，簡稱波面，波面可以是平面波、球面波或任意曲面波，光的傳播即光波波面的傳播。

3．光線

由物理光學可知，在各向同性的均勻介質中，輻射能量是沿波面的法線方向傳播的，因此，物理光學中的波面法線即相當于幾何光學中的光線，即光線垂直于波面。幾何光學把光線看做是無直徑、無體積，攜帶光能只有位置和方向的幾何線，代表光的傳播方向。

4．光束

無限多條光線的集合稱為光束，常見的光束有同心光束、平行光束、像散光束，如圖1.2所示。

同心光束是指相交于同一點或由同一點發出的一束光線，分為會聚光束和發散光束，其對應的波面形狀為球面；平行光束是指沒有聚交點而互相平行的光線束，對應的波面形狀為平面；像散光束是指不聚交于同一點或不是由同一點發出的光束，對應的波面形狀為非球面，即由于像差的存在，同心光束經光學系統后不再是同心光束，對應的波面為非球面波。

幾何光學研究光的傳播也就是研究光線的傳播，光線是一些具有方向的幾何線，幾何光學使光傳播問題大為簡化，因此以光線作為基本概念的幾何光學理論具有很重要的實用價值，至今仍是重要的成像理論。