【科普】光学成像原理

通天科技

光学成像原理（几何光学视角）
光的直线传播与理想模型
在几何光学近似下，光被看成沿直线传播的“光线”。当光线遇到折射率突变的界面（透镜、镜面、空气-玻璃界面等）时，产生反射或折射，从而改变传播方向。
三大基本定律
• 直线传播定律：均匀介质中光线沿直线前进。
• 反射定律：入射角 = 反射角，且入射光线、法线、反射光线共面。
• 折射定律（斯涅尔定律）：n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂，其中 n 为折射率。
透镜成像公式（高斯公式）
1/f = 1/u + 1/v
• f：透镜焦距（汇聚透镜为正，发散透镜为负）。
• u：物距（实物为正）。
• v：像距（实像为正，虚像为负）。
放大率 M = –v/u（负号表示倒像）。
实物与实像、虚像
• 实像：光线实际汇聚形成，可在屏上接收。
• 虚像：光线反向延长线汇聚形成，不可在屏上接收，但人眼可见。
薄透镜的作图法则
• 平行于光轴的光线 → 经透镜后过（或反向延长线过）像方焦点。
• 过物方焦点的光线 → 经透镜后平行于光轴。
• 过光心的光线 → 不偏折（或仅平移，忽略厚度）。
光学系统像差（实际限制）
• 球差：离轴与近轴光线焦点不重合。
• 彗差：离轴点像呈彗星状。
• 色差：不同波长折射率差异导致焦点分离。
• 场曲、畸变、像散等。
现代光学设计通过多片非球面、低色散玻璃、衍射元件等抑制像差。
波动光学补充
当孔径或结构尺度接近波长 λ 时，需用波动光学：
• 衍射极限：最小可分辨角 θ ≈ 1.22 λ/D（瑞利判据）。
• 干涉：多光束相干叠加产生对比度。
• 相干性、点扩散函数（PSF）决定最终分辨率。

青皮橘子

楼主的分析很客观，值得我们借鉴。

9549872678@23

楼主对仪器精度/设备性能的分析太透彻了，受益匪浅～

第二人生

你的评论一针见血，佩服！

一人行

这个帖子让我学到了不少新知识，太有用了！