本系列名为Light，我将持续更新有关应用光学的内容。本人一名大三光学专业学生，写文章的目的是检验我的学习成果的同时做一些分享，希望大佬指出我文章的不足之处，本系列不做盈利打算，若有侵权请联系。文章根据我学习的程度的加深不断更新，修改，完善。
（本文章修缮于2024.11.27）
1.文章总览：
2.基础概念
2.1光波
本质上：光和一般无线电波并无区别，与无线电波区别在于波长λ。光波为横波，振动方向和光的传播方向垂直。
人眼可见波长λ400-760nm-----称为：可见光
紫外光（如图最左侧）：λ1-400nm
红外光（如图最右侧）：λ760-1000nm
单色光和复色光：
光谱光谱范围内：
2.2光源
几何光学中发光、发光点的概念和物理学不同。
2.3光线
2.4波面与光线
2.5光束
平行光束是同心光束的特殊情况
3几何光学的基本定律、费马原理和马吕斯定律
3.1光的直线传播定律
定义：在各向同性介质中，光沿直线传播
但，光通过小孔，会发生衍射现象（物理光学的中的概念），光会偏离直线传播。
成立条件：光在均匀介质中无阻拦的传播才成立
3.2光的独立传播定律
定义：从不同的光源发出的光束以不同方向通过空间某点时，彼此互不影响，各光束独立传播
成立条件：对于不同发光点。
3.3反射定律
反射的定义：
设有一光束投射在两种透明而均匀的介质的理想平滑分界面上(为入射光)，将有一部分光能被反射回原来的介质，这种现象为“反射”，被反射的光称为“反射光”。光的反射遵守反射定律。
光的反射示意图：
角度：
反射定律的总结：
3.4折射定律（斯涅耳定律）
折射的定义：设有一光東投射在两种透明而均匀的介质的理想平滑分界面上(为入射光)，一部分光能通过分界面射入第二种介质中去，但改变了传播方向，这种现象称为“折射”。被折射的光称为“折射光”。光的折射遵守折射定律。
光的折射示意图：
角度：
折射定律的总结：
3.4.1折射率
3.5光路可逆
左侧为介质1进入介质2： 右侧为介质2进入介质1：
显然可以看出，以上两种折射情况是沿着同一光路，只是方向是相反的。这种现象称为“光路的可逆性”.
成立条件：对于反射和折射现象,在均匀折射率介质和非均匀折射率介质、简单光学系统和复杂光学系统中光的可逆性均是成立的。
3.6分界面上反射光和折射光的能量分布
通常采用：
1反射率R：
2透过率T：
来表示能量分布。
在不存在吸收和其他损失的理想条件下，有：
T=1-R，即为T+R=1
T\R能量分布的影响因素：
R和T的变化规律图：
①I<45° Rn≈C（常量）
②I=0°
3.7全反射
①概念
定义：当光线的入射角!大于某值时，两种介质的分界面把入射光全部反射回原介质中去这种现象称为“全反射”或“完全内反射”。如上图曲线B，当I>41°时，Rn=1，相当于100%的光被反射回去。
产生全反射的条件
全反射示意图：
②全反射的应用
测量介质的折射率
3.8费马原理
费马原理是从“光程”的角度来阐述光的传播规律。费马原理对光的传播规律做了更简明的概括。
3.8.1光程
①概念：
②光程正负
如图：
3.8.2费马原理（极值光程定律）
定义：
光线由点A传到点B，经过任意多次折射或反射，其光程为极值(极大值或极小值或稳定值)。
注：
（应用光学张以谟那本把极大、极小值统称为稳定值，光程为常量也叫稳定值。为了方便区分，我这里把光程为常量定义成稳定值，和极大、极小值区分（有些人也这么区分的）。
通俗来说：
把光传播的实际路径与其邻近的其它路径相比较，光的实际路径的光程为极小、极大或稳定值。
可用光程一次积分为0来表示：
因为函数的一阶导数能求极值。
特殊情况:鞍点
光程各种值的举例：
①光程为常量
光源处于椭球焦点，有椭球性质可知由旋转椭球的焦点发出的光线经椭球内表面的反射的光程为常量，因而是稳定的。旋转椭球内反射面对焦点F1和F2来说，是“等光程面”
注：椭球面上任意一点到定点F1、F2的距离之和等于常数。
②光程为极大值
M1N1（红色面）是与椭球面切于点Q的曲面，光从点S发出后经椭球面上点Q的反射(光程SOP蓝色轨迹)，相对于光从点S发出经内切曲面的反射(光程SRP)，其光程为极大值。
③光程为极小值
与上面②相反，由点S发出的光经旋转椭球面上点Q处的外切曲面(M2N2黄色面)或平面(M3N3黄色面)的反射，其光程（光程SQP蓝色轨迹）为极小值。
3.8.3从费马原理推导反射定律
3.8.4从费马原理推导折射定律
3.9马吕斯定律
作用：
定义：
马吕斯定理指出:垂直于波面的光线束(法线集合)经过任意多次反射和折射以后，无论折射面和反射面的形状如何，出射光束仍垂直于出射波面，保持光线束仍为法线集合的性质:并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
折射(及反射)定律、费马原理和马吕斯定律三者中任意一个均可以作为几何光学的基本定律，其余两个可以视为推论。三者之间可以互相推导出来。
3.10总结
①：都能说明光线传播的基本规律，都可以作为几何光学的基础。
②：几何光学的基本定律是按不同的具体情况分别说明光线的传播规律。
适用于研究各种具体的光的传播现象。
③：马吕斯定律和费马原理则是用统一的方式加以说明光线的传播规律，更具有概括性。
适用于证明一些几何光学的普遍定理。
4成像的概念
光学系统分类：
4.1完善像
成完善像示意图：
发光体(自发光或被照明物体)AB上每一个点发出球面波，通过光学系统后仍为球面波，会聚成像，这样的像为物体AB的完善像。如上图给出了物体AB成完善像的示意图。
4.2虚/实物、虚/实像、物/像空间
物也有虚实，不仅仅是像有虚的。
可以通过光学系统使虚像转换成实像。
虚物、虚像示意图：
物空间与像空间：
定义：
凡是物所在的空间(包括实物和虚物)称为物空间:像(包括实像和虚像)所在的空间称为像空间。两个空间是无限扩展的，并不是由折射面或一个光学系统的左边和右边机械地分开的。
物/像空间示意图：
4.3成完善像举例
设计对有限大小物体成完善像的光学系统是非常困难的。但对一个特定点成完善像只需单个折射面或反射面便可以实现。这样的面便是该特定点的等光程面。
通俗说：就是一个物体上每一个点要同时满足成完善像的条件非常难。
如下图，无限远处物点A会发出无限条平行光，根据马吕斯定律要成完善像物点A入射光的波面与出射光的波面对应点之间的光程要均为定值。
也就是说每条A发出来的光线经过光学系统到成像点A'的光程要相等。
换句话说对于一个点要成完善像就是：
要找一个几何面，让A和面上任意一点连线＋面上那任意一点与物点A‘连线的值为定值。如下图，椭圆为那个几何面，然后A,A'为椭圆两焦点。由椭圆性质可以知道AM+MA'=定值。那个椭圆即为A的等光程面，也就是A发出的光束经过这个面的反射一定会成完善像。
从单个物点要成完善像扩展到一个物体要成完善像，相比之下难度不是大了一点。因为你要满足一个物体成完善像，就需要找到一个面让组成物体的所有物点都成完善像，这是非常困难得，也很好理解。