几何光学基础

基本概念

从物理学观点看，任何发光物体都可称为光源。在几何光学中，发出光线的物体，不管自身发光还是因被照明而漫反射光，都叫光源。若光源可看成几何学上的点，只占空间位置无体积和线度，就称为发光点或点光源。

光线是表示光能传播方向的几何线，有一定关系的一些光线的集合称为光束。

光作为一种电磁波，某一时刻其振动位相相同的点所构成的面称光波波面。在各向同性介质中，光沿着波面法线方向传播，所以光波波面的法线就是几何光学中的光线，与波面对应的法线束就是光束。

也称为费马原理，在没有干扰的情况下，光总是沿直线传播。在同一种均匀介质中，光线沿直线传播，不发生折射或反射。例如小孔成像、日食月食等现象都可以用光的直线传播定律来解释。

不同光源发出的光线在空间某点相遇时，彼此互不影响，各光线独立传播。

当光线遇到物体表面时，会按照“入射角等于反射角”的规律反射。反射光线、入射光线和法线在同一平面内，反射光线和入射光线分居法线两侧。

当光线从一种介质进入另一种介质时，会因为速度变化而发生方向改变，遵循“斯涅尔定律”。即 $�_{1} \sin �_{1} = �_{2} \sin �_{2}$ ，其中 $�_{1}$ 、 $�_{2}$ 分别是两种介质的折射率， $�_{1}$ 、 $�_{2}$ 分别是入射角和折射角。

当光线从光密介质射入光疏介质时，如果入射角大于某一临界角，光线将在界面上被完全反射回原介质。全反射在光纤通信等领域有重要应用。

当光线沿着和原来相反方向传播时，其路径不变。

在A、B两点间光线传播的实际路径，与任何其他可能路径相比，其光程为极值。实际光路所对应的光程，或者是所有光程可能值中的极小值，或者是所有光程可能值中的极大值，或者是某一稳定值。

垂直于波面的光线束经过任意多次折射和反射后，出射波面仍和出射光束垂直，且入射波面和出射波面上对应点之间的光程为定值。

把光学系统之入射线会聚点的集合或入射线之延长线会聚点的集合，称为该系统的物。

把相应之出射线会聚点的集合或出射线之延长线会聚点的集合，称为物对该系统所成的像。由实际光线会聚所成的点称为实物点或实像点，由这样的点构成的物或像称为实物或实像；由实际光线的延长线会聚所成的物点或像点称为虚物点或虚像点，由这样的点构成的物或像称为虚物或虚像。

在均匀介质中，光线沿直线传播，不发生折射或反射。

光在传播过程中，其能量不会消失或产生。

摄影、摄像、照明设计等都离不开几何光学原理。例如相机镜头利用透镜的折射原理来成像，照明设计要考虑光线的传播和反射等。

在光学仪器设计中，如显微镜、望远镜等，需要运用几何光学的知识来设计镜片的形状和参数，以实现特定的光学功能。光纤通信利用全反射原理传递信息，而偏振则用于提高信号的传输质量和稳定性。

随着光子学的不断发展，几何光学在光操控和光子集成电路领域的应用越来越广泛，为光通信、光计算等领域提供了新的可能。在光学传感和检测技术方面的发展，使得光学仪器在医疗、环境监测等领域的应用更加精准和高效。同时，在光学信息存储和处理方面的研究也在不断深入，为大数据时代的海量信息处理提供了新的解决方案。