光学原理

1、光具有波粒二象性。对于时间的平均值，光表现为波动性；对于时间的瞬时值，光表现为粒子性。

2、可见光的波长范围是：380-760nm,频率为（3.9-7.9）×1014Hz。

3、光源及光线：能够辐射光能量的物体称为发光体或光源，发光体可以看做是很由许多发光点组成，每个发光点都向四周辐射光能量。在几何光学中，通常将发光点的光抽象为携带能量并带有方向的几何线，称为光线。

4、光波：光就本质而言是一种电磁波，因此，从发光体辐射出来的光都称为光波。

5、波面：发光体发出的光在介质中向四周传播时，在某一时刻引起介质粒子在其平衡位置振动时相位相同的点构成的等相位面称为波面。

6、光的传播也可以称为等相位面的传播。在各向同性介质中，波面上任意一点的光的传播方向总是和波面的法线方向重合；也就是说光是沿着波面法线方向传播的。

7、几何光学的基本定律：光的直线传播定律、光的传播定律、光的反射和折射定律。

8、各种光学仪器中的光学系统由一系列的折射和反射表面组成，这些表面可以是球面、平面或者非球面，但主要是折射球面，各表面的曲率中心均在同一直线上的光学系统称为共轴光学系统，这些直线称为光轴。实际仪器中大部分光学系统都属于共轴光学系统。

9、完善成像条件：入射波面为球面波（同心光束）时，出射波面也为球面波（同心光束）。

10、同心光束经折射后，出射光束不再是同心光束，这表明，单个折射球面对轴上的物点成像是不完善的，这种现象称为球差。

11、拉赫不变量：近轴范围内光轴外物点成像，像高与物高之比为垂轴放大率，用β表示。

y'βy y'nl'nuβyn'ln'u' nyun'y'u'J 式中 J 称为拉赫不变量，它说明了实际光学系统在近轴区内成像时，在一对共轭平面内，物高y、孔径角u和介质折射率n的乘积为一常数。

y'和u'是两个成反比例关系的量，增大(减小)像高，必然减小(增大)像方孔径角；因此拉赫不变量表征了光学系统的成像能力。

12、理想光学系统的基本性质：

（1）、平行于光轴入射的物方光线，它经过系统后必过像方焦点。

（2）、过物方焦点的入射光线，它经过系统后平行于光轴射出。

（3）、倾斜于光轴入射的平行光束经过系统后会交于像方焦平面上的某一点。

（4）、自物方焦平面上某一点发出的光束经系统后成倾斜于光轴的平行光束出射。

（5）、共轭光线在主平面上的投影高度相等。

（6）、物点和像点必定是同心光束的交点，如果是实线相交，则构成实物（像），反之，则构成虚物（像）。光轴上的物点其像必在光轴上。

（7）、过主点的光线方向不变。

13、平面光学（高斯光学）中，物空间和像空间对应的点叫做共轭点。由于光路可逆，物方和像方对应的任意一条成像光线成为共轭光线。

14、透镜：以两个折射曲面为边界、中间充满一定透明材料的光学系统成为透镜。透明材料多为光学玻璃。

15、平面反射镜：平面反射镜又称为平面镜，是光学系统中最简单而且也是唯一能成完善像的光学零件。

光阑及像差

1、除了平面镜外，实际光学系统只有在傍轴近似或者细光束条件下成像才是完善的。在光学系统中对光束起作用的可以是透镜的边缘、框架或者特别设置的带孔屏障，这

些统称为光阑。光阑有光束孔径和视场两方面的作用，同时它又影响着像差、像的亮暗、景深、分辨本领等。

2、孔径光阑：一般来说，不同的光阑对光束的程度不同，其中对光束程度最大的光阑，即真正决定着通过光学系统的光束孔径的光阑，称为孔径光阑。在任何光学系统中，孔径光阑都是存在的。

3、视场光阑：它是物平面上或者物空间中最大成像范围的光阑，一般设置在实像平面或者中间像平面上。

4、渐晕光阑：：轴外光束被拦截的现象称为渐晕，产生渐晕的光阑（遮挡了轴外光束的光阑）就叫做渐晕光阑。

5、消杂光光阑：这种光阑不通过光学系统的成像光束，只那些从视场外射入光学系统的光，这些光通过光学系统的各个折射面和一起内壁进行反射和散射，形成达到像面的杂光，使像的对比度降低。利用消除杂光光阑可以去掉一部分杂光。一般光学系统中，常在镜管内壁加工出螺纹，并涂上黑色无光油漆来达到消除杂光的目的。

6、入瞳：孔径光阑经过其前面的光学系统所成的像称为入射光瞳，简称入瞳。

7、出瞳：孔径光阑经过其后面的光学系统所成的像称为出射光瞳，简称出瞳。

8、像差：物空间的一个物点发出的光线经过实际光学系统后，不再会聚于像空间的一点，而是一个弥散斑。这种实际像的位置和形状的理想像的偏差，称为像差。

9、子午面：轴外物点的主光线与光学系统主轴所构成的平面，称为光学系统成像的子

午面

10、弧矢面：过轴外物点的主光线，并与子午面垂直的平面，称为光学系统成像的弧矢面。位于弧矢面内的光线，统称为弧矢光束。弧矢光束所成的像，称为弧矢像。弧矢像所在的像平面，称为弧矢面。

11、对于透镜来说，正透镜恒产生负球差；负透镜恒产生正球差；平行平板一般恒产生正球差，但是如果平行光正入射时，不产生球差。所以单个透镜式不可能消除球差的，需利用正负透镜的组合来校正球差。

12、单色光轴外像差包括正弦差、慧差、像散、场曲和畸变。

13、正弦差：是轴外点宽光束小视场所产生的像差。

14、慧差：正弦差仅适合于小视场的光学系统，对于大视场光学系统，轴外物点宽光束经光学系统成像后失对称的情况用慧差来表示。慧差本质上是由球差引起的，球差越大，慧差也就会越大，另一方面折射球面产生的慧差还与光阑位置即主光线的入射角有关。

15、畸变：轴外物点经过光学系统成像时，无论是宽光束还是细光束都有像差存在，即使只有主光线通过光学系统，由于球差的影响，它仍不能和理想的近轴光相一致，最终会使主光线和高斯像面交点的高度不等于理想像高。主光线在高斯像面与高斯像点的高度差定义为系统的畸变。

16、正畸变称为枕形畸变，负畸变也成为桶形畸变。

17、色差：不同波长的光入射到同一光学介质中有不同的折射率，波长越短折射率越大。当白光入射到光学系统后，由于色散的缘故各个单色光波有不同的光程。这种由于各色光成像位置和成像倍率不相同而引起的像差为色差，

18、轴上点两个色光成像位置的差异称为位置色差，也叫轴向色差。

19、在进行光学设计时，由于单正透镜具有负色差，单负透镜具有正色差，单透镜不能校正色差。色差的大小与光焦度成正比，与阿贝数成反比，与结构形状无关，系统设计中需采用正负透镜搭配使用。