绪　论

光作为一种物质，存在于自然界，人们无时无刻不在感受着它，而且也时刻离不开它。由于光（日光，月光，灯光……）的作用，在人眼中产生视觉，因而使人们可以看见周围的物体，欣赏到大自然的五颜六色，绚丽多彩。人们在生活和生产中用到大量的光学仪器，借助于这些光学仪器丰富了我们的生活，扩大、延伸了我们的视觉，增强了人们改造自然的能力。因此，研究光的本质、特性、规律及其应用具有重要意义。

光学这门学科，具有悠久历史，它包含了人类约三千多年生产劳动和科学研究的丰硕成果与智慧。早在古埃及就有了应用光学原理的铜镜。我国先秦时代的《墨经》（约在公元前400年）中，就有了关于几何光学的八条记载。古希腊的哲学家亚里士多德即开始了对光的本性的探讨。公元前300年欧几里德也在他的《反射光学》一书中，发表了反射定律。这些都反映了人类对光学现象的早期认识。经过了一段较长时间的沉寂，进入17世纪以后，光学这门学科获得了蓬勃的发展。1610年前后，望远镜和显微镜相继由荷兰人李普塞、琼森以及开普勒发明，伽里略将他的望远镜应用于天文研究，作出了重要贡献。随后斯涅尔（1621年）和笛卡尔发现并总结出了具有重要意义的折射定律，从而打开了研究近代应用光学的大门。17世纪后半叶到17世纪，对光的本性的研究十分活跃。牛顿提出了微粒说；惠更斯则创立了波动学说；尔后麦克斯韦的电磁理论进一步证明了光是一种电磁波；1900年普朗克提出量子论，1905年爱因斯坦发展了普朗克的量子概念，提出光子的观点，从而可圆满地解释光电效应，这就形成了一种新形式的微粒说——光的量子学。近四百年来，人们对光的本性的认识，经历了上述由低级到高级的几个阶段而逐步深化。发展到今天，现代物理学认为，光是一种具有波粒二象性的物质，即它同时具有波动性和微粒性：在它的传播过程中主要表现出波动的性质，在光与其它物质的相互作用时则主要表现出其微粒性。从整体来说，光既不是波，也不是微粒，更不是它们的某种混合物，而是物质存在的一种形式。近代的量子物理学的系统理论可以解释光物质的这种波粒二象性特点。当然，随着科学技术的发展，人们对光的本性的认识，仍将不断深化。

进入20世纪50年代以来，随着人们对光的认识的深化，光学成为一门十分活跃的学科，在很多领域中获得了长足的发展。无线电通讯理论和技术引入到光学中，推动了光学信息处理的发展；光学传递函数被应用于评价光学系统的成像质量；高速电子数字计算机的出现为设计复杂的、高质量的光学系统（诸如电视、电影摄影变焦距镜头，精密微缩镜头）创造了有利条件；纤维光学在光纤传像系统特别是在通讯系统中得到广泛应用；激光技术的出现和发展为光学的应用开辟了一个广阔的天地。此外，薄膜光学，空间光学，大气光学，光学材料等领域也都取得了很大的成就。

虽然，有关光的本性的认识相当复杂，光学的内容十分丰富，但是，作为整个光学最基础理论的仍是应用光学与物理光学。在解决实际问题时，可以根据需要，采用不同精密程度的理论。如果所考察的问题涉及光的本性，涉及光的波动性质，应该采用物理光学的波动理论来解决；但对光学仪器中所发生的大多数现象和问题，则均可运用应用光学的理论来解决。

“应用光学”是研究光在各种介质和光学仪器中传播与成像规律的理论，用以指导光学仪器、光学系统的设计与制造。应用光学的理论主要是建立在几何光学原理基础上的，其内容主要包括：几何光学的基本原理，光学成像的一般理论，光学仪器原理，共轴球面系统成像缺陷的像差理论以及光学系统的设计方法与光学自动设计。

“几何光学”是利用“光线”的概念来研究光在介质中传播的光学理论。因此，又可称之为“光线光学”。它的理论基础是由实验所确立的几个基本定律：光的直线传播定律；光的独立传播定律；光的反射定律和光的折射定律。利用“光线”的概念，从上述几个基本实验定律出发，经过严格的演绎推导，即构成几何光学的基本原理。

应当指出，几何光学原理相对于实际发生的情况具有一级近似的意义。这是因为作为几何光学基础的光的直线传播定律，本身就是近似的，只在一定条件下才得以成立。“光线”的概念可由实际光束通过小孔光阑而分割出细光束得到，在小孔直径D→0的极限情况下，即可得到像几何线一样的“光线”。由波动光学理论可知，实际光束通过小孔光阑时要发生衍射（绕射）现象，衍射角α≈（指向第一个极小值）。要使衍射现象不产生，即遵守光的直线传播规律，势必要求λ→0（这只是抽象的数学概念，而不具有实际的物理意义。），或者D》λ。一般情况下，λ为有限值，且以一定大小的光束通过光学系统成像，由于D》λ，因而衍射实际上不能觉察，光线可以近似视为按直线传播，因而以此为基础的几何光学原理在一般实用的情况下是成立的，从实用观点看，也可以认为是严密的。几何光学具有重要的实用意义，这是因为借助于几何光学的概念，可以利用比较简单的数学方法或作图方法来解决光的传播与成像问题，并导出各种光学系统的设计计算方法，而且这样设计出的光学系统具有优良的质量，可以得到令人满意的结果。

几何光学不考虑光的干涉和衍射现象，因而具有一定的近似性和局限性。但是，对大多数情况下与光学仪器中所看到的现象是相符合的。当然，有些问题：例如光学仪器的分辨本领、显微镜的成像理论、以及光学系统的成像质量等问题则不能完全依靠几何光学，还必须与波动光学的理论相结合才能得到圆满的解决。但是，正因为几何光学理论可以用比较简单明确的方法，正确地解决应用光学领域中的大部分问题，因而，作为应用光学基础的几何光学理论至今仍保持其旺盛的生命力，显然学好应用光学、几何光学仍具有十分重要的意义。