幾何光學是光學學科中以光線為基礎，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。在此假設下，根據光線的傳播規(guī)律，在研究物體被透鏡或其他光學元件成像的過程，以及設計光學儀器的光學系統(tǒng)等方面都顯得十分方便和實用。 .RFH@''  
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    但實際上，上述光線的概念與光的波動性質相違背，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問題。 QQV8Vlv"  
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    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。 GCO: !,1  
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    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，是設計光學系統(tǒng)時必須進行的工作。 |D/a}Av>B  
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    幾何光學中研究和討論光學系統(tǒng)理想成像性質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)具有旋轉對稱性的光學系統(tǒng)。如果從物點發(fā)出的所有光線經光學系統(tǒng)以后都交于同一點，則稱此點是物點的完善像。 R"P-+T=7M  
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    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�？梢宰C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。 @Bhcb.kbq  
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    為便于一般地了解光學系統(tǒng)的成像性質和規(guī)律，在研究近軸區(qū)成像規(guī)律的基礎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)結構，僅以幾對基本點的位置以及一對基本量的大小來表征。 #m?)XB^_  
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    根據基本點的性質能方便地導出成像公式，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。反過來也可以根據成像要求求得相應的光學模型。任何具體的光學系統(tǒng)都能與一個等效模型相對應，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。 @/^mFqr2  
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    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光學參量的必要基礎。 r#)1/`h  
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    利用光學系統(tǒng)的近軸區(qū)可以獲得完善成像，但沒有什么實用價值。因為近軸區(qū)只有很小的孔徑(即成像光束的孔徑角)和很小的視場(即成像范圍)，而光學系統(tǒng)的功能，包括對物體細節(jié)的分辨能力、對光能量的傳遞能力以及傳遞光學信息的多少等，正好是被這兩個因素所決定的。要使光學系統(tǒng)有良好的功能，其孔徑和視場要遠比近軸區(qū)所限定的為大。 d
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    當光學系統(tǒng)的孔徑和視場超出近軸區(qū)時，成像質量會逐漸下降。這是因為自然點發(fā)出的光束中，遠離近軸區(qū)的那些光線在系統(tǒng)中的傳播光路偏離理想途徑，而不再相交于高斯像點(即理想像點)之故。這時，一點的像不再是一個點，而是一個模糊的彌散斑；物平面的像不再是一個平面，而是一個曲面，而且像相對于物還失去了相似性。所有這些成像缺陷，稱為像差。 y||RK`H  
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    用單色光成像時，有五種不同性質的像差，即球差彗差、像散、場曲和畸變。前三種像差破壞了點點對應。其中，球差使物點的像成為圓形彌散斑，彗差造成彗星狀彌散斑，而像散則導致橢圓形彌散斑。場曲使物平面的像面彎曲，畸變使物體的像變形。 w@cW`PlF  
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    此外，當用較寬波段的復色光成像時，由于光學媒質的折射率隨波長而異，各色光經透鏡系統(tǒng)逐面折射時，必會因色散而有不同的傳播途徑，產生被稱為色差的成像缺陷。色差分兩種：位置色差和倍率色差。前者導致不同的色光有不同的成像位置，后者導致不同的色光有不同的成像倍率。兩者都使像帶色而嚴重影響成像質量，即使在近軸區(qū)也不能幸免。 1@KiP`DA  
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    各種像差的實際值需通過若干條光線的追跡而得知。但是，在稍大于近軸區(qū)的范圍(稱賽德耳區(qū))內，成像缺陷可以用初級像差(也稱賽德耳像差)來描述。初級像差值只需通過對二條近軸光線的追跡就能全部計算出來。像差，特別是初級像差已有相當完整的理論，是光學系統(tǒng)設計的理論基礎。 >Q=^X3to  
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    為使光學系統(tǒng)在具有大的孔徑和視場時能良好成像，必須對像差作精細校正和平衡，這不是用簡單的系統(tǒng)所能實現(xiàn)的。所以，高性能的實際光學系統(tǒng)需要有較復雜的結構形式。 ;2&"
 
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    一個光學系統(tǒng)須滿足一系列要求，包括：放大率、物像共軛距、轉像和光軸轉折等高斯光學要求；孔徑和視場等性能要求，以及校正像差和成像質量等方面的要求。這些要求都需要在設計時予以考慮和滿足。因此，光學系統(tǒng)設計工作應包括：對光學系統(tǒng)進行整體安排，并計算和確定系統(tǒng)或系統(tǒng)的各個組成部分的有關高斯光學參量和性能參量；選取或確定系統(tǒng)或系統(tǒng)各組成部分的結構形式并計算其初始結構參量；校正和平衡像差；評價像質。 OQ?N_zs,  
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    像差與光學系統(tǒng)結構參量(如透鏡厚度、透鏡表面曲率半徑等)之間的關系極其復雜，不可能以具體的函數式表達出來，因而無法采用解方程之類的辦法直接由像差要求計算出系統(tǒng)的精確結構參量�，F(xiàn)在能做到的是求得滿足初級像差要求的解。 At=d//5FFP  
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    初級像差是實際像差的近似表示，僅在孔徑和視場較小時能反映實際的像差情況，因此，按初級像差要求求得的解只是初始的結構參量，需對其進行修改才能達到像差的進一步校正和平衡，在這一過程中，傳統(tǒng)的做法是根據追跡光線得到的像差數據及其在系統(tǒng)各面上的分布情況，進行分析、判斷，找出對像差影響大的參量，加以修改，然后再追跡光線求出新的像差數據加以訐價。如此反復修改，直到把應該考慮的各種像差都校正和平衡到符合要求為止。這是一個極其繁復和費時很多的過程。 h L [