幾何光學(xué)（geometrical 光學(xué)）是以光線為基礎(chǔ)，研究光的傳播規(guī)律和成像規(guī)律的一個的分支，由于這種傳播可以用很簡單的幾何關(guān)系來描述，所以得名幾何光學(xué)。
自古代，人們就開始關(guān)注一些幾何光學(xué)現(xiàn)象。古希臘、古羅馬、古代中國典籍中都有關(guān)于光的直射、反射等現(xiàn)象的記載。1608年，荷蘭人漢斯·李波爾（Hans Lippershey）制造出世界上第一架雙目望遠(yuǎn)鏡，這正是幾何光學(xué)早期的應(yīng)用。隨后，德國天文學(xué)家約翰尼斯·開普勒（Kepler）出版《折光學(xué)》，提出了照度定律、焦點(diǎn)等幾何光學(xué)概念。1620年，荷蘭物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家威理博·斯涅爾（Snell）發(fā)現(xiàn)了幾何光學(xué)現(xiàn)象的兩條基本定律：光的反射定律與折射定律，奠定了近代幾何光學(xué)的初步基礎(chǔ)。1650年，法國數(shù)學(xué)家皮耶·德·費(fèi)瑪（Fermat）提出費(fèi)馬原理，對幾何光學(xué)的傳播定律進(jìn)行總結(jié)概括，成為了光在介質(zhì)中傳播的普遍規(guī)律。19世紀(jì)以來，以幾何光學(xué)為代表的成像理論快速發(fā)展，建立了光學(xué)成像設(shè)計(jì)方法，使顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、相機(jī)等儀器得到應(yīng)用。19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，光學(xué)的研究深入波動光學(xué)、量子光學(xué)等分支。雖然幾何光學(xué)不如波動光學(xué)更涉及光的本性，但幾何光學(xué)在設(shè)計(jì)光學(xué)儀器等方面的作用依舊不可替代。
幾何光學(xué)的基本定律是研究光學(xué)系統(tǒng)成像規(guī)律及進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，包含光的直線傳播定律、光的獨(dú)立傳播定律、光的反射定律和光的折射定律。這些理論被廣泛應(yīng)用在光學(xué)儀器設(shè)計(jì)、通信工程、醫(yī)療檢測等領(lǐng)域。比如，顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、光纖、內(nèi)窺鏡等設(shè)備均根據(jù)幾何光學(xué)原理設(shè)計(jì)。
定義
幾何光學(xué)是以光線為基礎(chǔ)，研究光的傳播規(guī)律和成像規(guī)律的一個光學(xué)分支，而這種傳播可以用很簡單的幾何關(guān)系來描述，這就是幾何光學(xué)得名的原因。在幾何光學(xué)中會把物體看做由幾何點(diǎn)組成，把它所發(fā)出的光束看做是無數(shù)幾何光線的集合，光線的方向代表能量的傳播方向。在此假設(shè)下研究物體被透鏡或其他光學(xué)元件成像的過程，以及設(shè)計(jì)光學(xué)儀器的光學(xué)系統(tǒng)等方面都顯得十分方便和實(shí)用。
由于光線的概念與光的波動性相違背，幾何光線不可能存在，所以幾何光學(xué)只是波動光學(xué)的近似。但當(dāng)光學(xué)元件尺寸遠(yuǎn)大于波長時，用幾何光學(xué)得出的結(jié)果與實(shí)際情況非常接近，因此在這種情況下應(yīng)用幾何光學(xué)來研究光學(xué)系統(tǒng)具有足夠的精度。采用幾何光學(xué)的理論可以不涉及光的物理本性，而能以其簡便、直觀的方式解決光學(xué)儀器中的光學(xué)技術(shù)問題。
簡史
早期
自古代，人們就開始關(guān)注一些幾何光學(xué)現(xiàn)象。古希臘幾何學(xué)家歐幾里得（Euclid）和物理學(xué)家阿基米德（Archimedes）都曾對光的直射、反射現(xiàn)象進(jìn)行過一些初步研究。古羅馬時期的天文學(xué)家克羅狄斯·托勒密（Ptolemaic）也曾對光的折射現(xiàn)象進(jìn)行過一些初步研究。古代中國戰(zhàn)國時期的《墨經(jīng)》一書中，記載了關(guān)于光的直射、反射現(xiàn)象的研究。此時，古代光學(xué)中對幾何光學(xué)現(xiàn)象的研究停留在經(jīng)驗(yàn)描述階段。
近代發(fā)展
1604年，德國天文學(xué)家約翰尼斯·開普勒（Kepler）發(fā)表了一篇幾何光學(xué)論文，對光的直射現(xiàn)象、反射現(xiàn)象以及視覺現(xiàn)象作了一些初步的理論解釋。1608年，荷蘭眼鏡商人漢斯·李波爾（Hans Lippershey）制造出世界上第一架雙目望遠(yuǎn)鏡。隨后，開普勒從革新天文望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際需要出發(fā)，對幾何光學(xué)進(jìn)行研究，于1611年出版了一部光學(xué)著作《折光學(xué)》，對作為望遠(yuǎn)鏡制作原理的幾何光學(xué)問題作了進(jìn)一步的理論探討。在這一著作中，開普勒最先提出了照度定律、焦點(diǎn)和光軸等最初的幾何光學(xué)概念，還設(shè)計(jì)了幾種新型的望遠(yuǎn)鏡。
1620年，荷蘭物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家威理博·斯涅爾（Snell）通過一系列的實(shí)驗(yàn)觀測與數(shù)學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了幾何光學(xué)現(xiàn)象的兩條基本定律：光的反射定律與折射定律。他發(fā)現(xiàn)不論入射線的角度怎樣改變，反射線總在入射線和法線所決定的平面內(nèi)，反射線與入射線總在法線的兩側(cè)，反射角總等于入射角。隨后，斯涅爾對光的折射現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)觀測和幾何分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)時，光在兩種媒質(zhì)的交界面上改變原來的傳播方向而發(fā)生折射，不論入射線的角度怎樣改變，折射線總在入射線與法線所決定的平面內(nèi)，折射線與入射線總是分居在法線的兩側(cè)。對于兩種給定的媒質(zhì)來說，入射角的正弦與折射角的正弦的比，總是一個常數(shù)。光的反射定律與折射定律的發(fā)現(xiàn)，奠定了近代幾何光學(xué)的初步基礎(chǔ)。
1650年，法國數(shù)學(xué)家皮耶·德·費(fèi)瑪（Fermat）提出費(fèi)馬原理，對幾何光學(xué)的傳播定律進(jìn)行總結(jié)概括，形成了費(fèi)馬原理。費(fèi)馬原理是對幾何光學(xué)各經(jīng)驗(yàn)定律的高度綜合與抽象，是光在介質(zhì)中傳播的普遍規(guī)律。
現(xiàn)代發(fā)展
19世紀(jì)以來，以幾何光學(xué)為代表的成像理論快速發(fā)展，以阿貝（Abbe）為代表的一批科學(xué)家在研究顯微鏡成像的過程中，系統(tǒng)地建立了光學(xué)成像設(shè)計(jì)方法。各種常規(guī)的光學(xué)儀器與系統(tǒng)，如成像系統(tǒng)的顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、相機(jī)等以幾何光學(xué)為主的儀器得到應(yīng)用。
19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，光學(xué)的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)制中，由于幾何光學(xué)不能解釋光的干涉、衍射等現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)展出波動光學(xué)、量子光學(xué)等分支。從 20 世紀(jì)中葉起，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，新的光學(xué)理論也不斷發(fā)展，形成了更多新的分支學(xué)科與交叉學(xué)科方向，人們對光的本質(zhì)的理解也越深。這期間，雖然幾何光學(xué)只是波動光學(xué)的近似，波動光學(xué)比幾何光學(xué)更涉及光的本性，但幾何光學(xué)在設(shè)計(jì)光學(xué)儀器等方面依舊不可替代。
基本概念
發(fā)光點(diǎn)和發(fā)光體
物理學(xué)認(rèn)為，凡是能夠輻射光能的物體統(tǒng)稱為發(fā)光體。一切自身發(fā)光（如恒星、燈等）或受到光照射而發(fā)光的物體均可視為發(fā)光體。太陽、行星等自然界中存在的光源為自然發(fā)光體，白熾燈、氫燈等人為地將各種形式的能量轉(zhuǎn)換成光輻射的器件為人造發(fā)光體。
一個實(shí)際的光源總有一定的大小，當(dāng)光源的大小和其輻射能的作用距離相比可忽略不計(jì)時，此發(fā)光體可視為發(fā)光點(diǎn)，宇宙中的恒星對于地球上的觀察者來說就是一個發(fā)光點(diǎn)。在幾何光學(xué)中，發(fā)光點(diǎn)被認(rèn)為是一個既無體積又無大小，但是能量密度為無限大的幾何點(diǎn)。
光束
有一定關(guān)系的一些光線的集合，稱為光束。各光線本身或其延長線交于同一點(diǎn)的光束，稱為同心光束。而不交于一點(diǎn)的有一定關(guān)系的一些光線的集合，稱為像散光束。各種光學(xué)成像系統(tǒng)，應(yīng)該按照需要在改變光束的立體角的同時，保持光束的同心性。
光波
光是一種具有波粒二象性的物質(zhì)，即光既具有波動性又具有粒子性，只是在一定的條件下，某一種性質(zhì)顯得更為突出。除了研究光和物質(zhì)相互作用的情況下必須考慮光的粒子性外，都可以把光作為電磁波看待，故而稱之為光波。光波是一定波長范圍內(nèi)的電磁波，在整個電磁波譜中，能引起人眼視覺刺激的部分被稱為可見光，通常可見光的范圍取為。波長大于的光被稱為遠(yuǎn)紅外線（IR），波長小于的光被稱為紫外光（UV）。
光的傳播速度
光波在真空中的傳播速度為，不同波長的電磁波有不同的頻率，其頻率、波長、速度之間的關(guān)系為。光波在其他透明介質(zhì)（例如水、玻璃）中傳播時，波長和速度都會發(fā)生變化，但頻率不變，對人眼引起的顏色感覺不變。
波面
由光源發(fā)出的電磁波可看做以波面的形式傳播，在某一瞬時，其振動相位相同的各點(diǎn)所構(gòu)成的曲面稱為波面，也叫等相位面。波面按形狀可分為球面、平面和任意曲面。若光所處的介質(zhì)為各向同性的均勻介質(zhì)，電磁波面向各方向的傳播速度相同，則有限遠(yuǎn)處發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的是以發(fā)光點(diǎn)為中心的同心球面，稱為球面波，無限遠(yuǎn)處發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的是平面波。對于具有一定大小的實(shí)際發(fā)光體，當(dāng)光的傳播距離比光源線度大得多的情況下，它所發(fā)出的光波也可近似視為球面波。
光線和光程
發(fā)光體向周圍發(fā)出的帶有輻射能量的幾何線條稱為光線。幾何光學(xué)中認(rèn)為光線是沒有直徑、沒有體積，但攜帶能量并具有方向性的幾何線，其方向代表光能的傳播方向。在繪圖時，光的傳播方向可以用一個態(tài)射來加以表示，這條帶箭頭的直線代表一條光線。幾何光學(xué)通過引入發(fā)光點(diǎn)和光線的概念將復(fù)雜的光學(xué)成像和光能傳播問題歸結(jié)為光線的傳播問題，從而用數(shù)學(xué)方法來描述和解決光學(xué)問題。同時，光在一定時間內(nèi)在介質(zhì)中所走過的幾何路程被稱為光程，又被稱為光的折合路程。
折射率
折射率表示光在介質(zhì)中傳播時介質(zhì)對光的一種特性，它與介質(zhì)的電磁性質(zhì)相關(guān)。折射率分為絕對折射率和相對折射率。絕對折射率表示光從真空射入其他介質(zhì)時的折射情況，用光線入射角與折射角的正弦之比來表示。相對折射率用表示光從一種介質(zhì)射入另外一種介質(zhì)時的折射情況，用第二種介質(zhì)相對于第一種介質(zhì)的折射率之比來表示。
基本定律
幾何光學(xué)的基本定律決定了光線在通常情況下的傳播方式，它是研究光學(xué)系統(tǒng)成像規(guī)律及進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。光的傳播規(guī)律可以歸納為四條基本定律，即光的直線傳播定律、光的獨(dú)立傳播定律、光的反射定律和光的折射定律。
光的直線傳播定律
在各向同性的均勻介質(zhì)中光沿著直線傳播，就是光的直線傳播定律，影子的形成、日食、小孔成像等現(xiàn)象均基于此定律，一切精密天文測量、大地測量學(xué)和其他測量均以此為基礎(chǔ)。需要注意，光的直線傳播定律忽略了電磁波的衍射，光在傳播過程中遇到小孔、狹縫等阻擋物體時，會因衍射現(xiàn)象而偏離直線傳播。在非均勻介質(zhì)中，光也會偏離直線傳播。
針孔相機(jī)是典型的光沿直線傳播的實(shí)例。針孔以物理的方法約束了發(fā)自物點(diǎn)的光線，使通過小孔的光線落在同一個像點(diǎn)附近而成像。針孔尺寸越大，其約束光線的能力越差，成像的效果越差，最終經(jīng)小孔所成的影像將完全消失，僅剩一個被照亮了的屏幕。反之，針孔的尺寸越小，波動光學(xué)中的衍射效應(yīng)越強(qiáng)，當(dāng)針孔尺寸小到與光波長量級相當(dāng)時，衍射效應(yīng)會導(dǎo)致成像的質(zhì)量下降。
光的獨(dú)立傳播定律
從不同光源發(fā)出的互相獨(dú)立的光束（線），從不同方向相交于空間介質(zhì)中的某一點(diǎn)時，彼此互不影響，各光束（線）獨(dú)立傳播，就是光的獨(dú)立傳播定律。例如，利用幾個探照燈在夜空中搜尋，交會飛機(jī)等行為都基于光的獨(dú)立傳播定律。光的獨(dú)立傳播定律的意義在于考慮某一光束（光線）的傳播時，可不考慮其它光束（光線）對它的影響，從而使對光線傳播情況的研究得到簡化。
光的獨(dú)立傳播定律僅對于不同光源發(fā)出的光有效。如果由同一光源分成的兩束光，經(jīng)過不同的路徑相交于某點(diǎn)，這兩束光在滿足一定條件時可能會成為相干光而發(fā)生干涉現(xiàn)象，此時光的獨(dú)立傳播定律不適用。
光的反射定律
當(dāng)一束光（入射光）投射到兩種均勻透明介質(zhì)的光滑分界面上時，將有一部分光（光能）被反射回原來的介質(zhì)中去，這種現(xiàn)象稱為“反射”，這部分光稱為“反射光”。反射定律是指，當(dāng)單射光投射到兩種均勻介質(zhì)的光滑分界表面上時，入射光線、反射光線和投射點(diǎn)法線三者在同一平面內(nèi)，入射光線與反射光線分居法線的兩側(cè)，且入射角和反射角絕對值相等，符號相反，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
當(dāng)兩種不同介質(zhì)的分界面粗糙時，其表面各點(diǎn)處的法線方向不一致，會導(dǎo)致平行入射的光線朝不同的方向反射，反射光不再是平行光束，這種現(xiàn)象被稱為漫反射現(xiàn)象（或漫射現(xiàn)象）。大部分物體，如植物、衣服等，其表面粗略觀察是光滑的，但放大之后依然是粗糙的，這種表面會發(fā)生漫反射現(xiàn)象。
光的折射定律
當(dāng)一束光（入射光）投射到兩種均勻透明介質(zhì)的光滑分界面上時，有一部分光能通過分界面進(jìn)入到第二介質(zhì)中，并改變傳播方向，這種現(xiàn)象稱為“折射”，這部分光稱為“折射光”。折射定律是指，單射光線、折射光線和投射點(diǎn)法線三者在同一平面內(nèi)，入射角的正弦與折射角的正弦之比與入射角的大小無關(guān)，僅由兩介質(zhì)的性質(zhì)決定。在一定的溫度和壓力下，對一定波長的光線而言，該比值為一常數(shù)，稱為后一介質(zhì)的折射率與前一介質(zhì)的折射率之比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
或
式中，分別為入射光所在介質(zhì)和折射光所在介質(zhì)的絕對折射率，為相對介質(zhì)折射率。當(dāng)前一種介質(zhì)為空氣（或真空）時，相對介質(zhì)折射率等于第二種介質(zhì)折射率。
折射定律不僅適用于均勻介質(zhì)，也適用于非均勻介質(zhì)。當(dāng)光在非均勻介質(zhì)中傳播時，可以把非均勻介質(zhì)近似看做由無限多的均勻薄介質(zhì)組成，在每一層薄介質(zhì)中折射定律仍然適用。把光線在非均勻介質(zhì)中的傳播近似看做一個連續(xù)折射的過程，就能夠分析出光線傳播的具體軌跡路徑。
反射率與透射率
當(dāng)光以一定的角度單射到兩種均勻介質(zhì)分界面上時，會同時發(fā)生反射和折射，由于光是能量的載體，在不考慮介質(zhì)吸收及散射的情況下，入射光、反射光和折射光應(yīng)遵守能量守恒定律，即
式中，為入射入射光攜帶的能量，為反射光攜帶的能量，為折射光攜帶的能量。若令
，
則稱為反射率，為透射率。顯然，。
除了從能量的角度計(jì)算，反射率和透射率也可以利用折射率來計(jì)算。若自然光正入射到折射率分別為的兩介質(zhì)分界線上，其反射率與透射率用折射率表達(dá)為
傳播現(xiàn)象
光路可逆定理
根據(jù)幾何光學(xué)的基本定律，可以得出光線傳播的可逆性特征，即光線逆著原來的方向傳播時，它將按照完全相同的路徑反向行進(jìn)。假設(shè)從發(fā)光點(diǎn)發(fā)出一條入射角為的入射光，則根據(jù)折射定律能夠確定折射光線的傳播方向。若點(diǎn)發(fā)出一條入射角為的光線，則折射光線一定將經(jīng)過點(diǎn)。這兩種情況均沿著相同的光路進(jìn)行傳播，此種現(xiàn)象稱為光路的可逆性。
全反射
全反射又被稱完全內(nèi)反射，它是指光從光密介質(zhì)單射到光疏介質(zhì)，且入射光的入射角大于臨界角時，兩種介質(zhì)光滑的分界面把入射光全部反射回原介質(zhì)中的現(xiàn)象。一般把分界面兩邊折射率相對較大的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)，折射率較小的介質(zhì)稱為光疏介質(zhì)，光密介質(zhì)或光疏介質(zhì)是相對而言的。
當(dāng)光線以一定的角度入射到光密—光疏介質(zhì)分界面上時，按照折射定律折射角將大于入射角，并且隨著入射角的逐漸增大，折射角也逐漸大。當(dāng)入射角增大到某一程度時，折射光線恰好沿著界面方向傳播，此時的入射角稱為臨界角，用符號表示，可表示為。如果入射角繼續(xù)增大，光線將返回到第一種介質(zhì)中，此時將只有反射光線而沒有折射光線，發(fā)生全內(nèi)反射現(xiàn)象。
費(fèi)馬原理
法國數(shù)學(xué)家皮耶·德·費(fèi)瑪利用光程的概念對幾何光學(xué)的傳播定律進(jìn)行總結(jié)概括，形成了統(tǒng)一的定律，即費(fèi)馬原理。費(fèi)馬原理提供了一種有效的確定光線路徑的方法，它既適用于均勻介質(zhì)，也適用于非均勻介質(zhì)，也可利用費(fèi)馬原理證明光的反射定律和折射定律。
設(shè)光在介質(zhì)走過的其他路徑與實(shí)際路徑是非常接近的，其他路徑是指當(dāng)光線遇到折射面或反射面時能夠與實(shí)際路徑分離開來的路徑。如下圖所示，假設(shè)是光線的實(shí)際路徑，現(xiàn)在其附近任取一其他路徑，兩者之間的距離處處小于某個無窮小量。在此前提下，費(fèi)馬原理是指光從一點(diǎn)傳播到另外一點(diǎn)，無論經(jīng)過多少種介質(zhì)，走過什么樣的路徑，其光程皆是穩(wěn)定的，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為。它表示，在光線的實(shí)際路徑上光程的變分為零。對于某條給定的路徑，變分為零意味著泛函在路徑上是平穩(wěn)的，它可以是極大值也可以是極小值，或者是具有更高階的平穩(wěn)值。費(fèi)馬認(rèn)為一般情況下光在介質(zhì)中傳播時所需要的時間應(yīng)該是一個極小值，即光線在介質(zhì)中走的是捷徑。通過費(fèi)馬原理可以確定出光在介質(zhì)中走過的實(shí)際路徑。
分支
高斯光學(xué)
光學(xué)系統(tǒng)多用于對物體成像，但未經(jīng)嚴(yán)格設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)只有在近軸區(qū)才能成完善像。由于在近軸區(qū)成像的范圍和光束寬度均趨于無限小，所以沒有實(shí)際應(yīng)用意義。為了估計(jì)和比較實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量是否符合完善成像條件，需要建立一個模型，使之滿足物空間的同心光束經(jīng)系統(tǒng)后仍為同心光束，這個模型稱為理想光學(xué)系統(tǒng)，它對任意大的物體以任意寬的光束成像都是完善的。
1841年，德國約翰·卡爾·弗里德里?！じ咚?/a>（gaussian）提出理想光學(xué)系統(tǒng)理論，1893年，德國物理學(xué)家阿貝（Abbe）將其進(jìn)一步發(fā)展，所以后來理想光學(xué)系統(tǒng)理論又稱為“高斯光學(xué)”。高斯光學(xué)就是只討論近軸光線條件下成象的幾何光學(xué)。因其在計(jì)算理想光學(xué)系統(tǒng)各個參量之間的關(guān)系時常用一階一次方程，也稱為“一階光學(xué)”。
高斯光學(xué)為將成像理解為從物空間到像空間的映射，它假定光學(xué)系統(tǒng)軸對稱，包括沿光軸對稱，同時假定子午面為平面。幾何光學(xué)的基本原理在高斯光學(xué)中依然成立，即任何三維物鏡由獨(dú)立輻射點(diǎn)源的集合表示，每個點(diǎn)源通過系統(tǒng)獨(dú)立地成像到其共軛像點(diǎn)，三維像是所有點(diǎn)像的加。高斯光學(xué)也認(rèn)為，一個空間里垂直于光軸的平面映射到另一個空間也是垂直于光軸的平面，一個空間里平行于光軸的光線映射到另一個空間里的共軛光線可與光軸交于點(diǎn)（有焦系統(tǒng)）也可平行于光軸（無焦系統(tǒng)）。
關(guān)聯(lián)學(xué)科
大氣光學(xué)
大氣光學(xué)（atmospheric 光學(xué)）是研究光通過大氣時的相互作用和由此產(chǎn)生的各種低層大氣的光學(xué)現(xiàn)象的一門學(xué)科，其中包括研究電磁波在介質(zhì)中傳播時速度隨介質(zhì)密度改變，而發(fā)生的反射和折射等現(xiàn)象，也包括大氣中粒子對電磁波的吸收、散射和偏振等所引起的光學(xué)現(xiàn)象。在研究散射時，需要根據(jù)粒子尺度與入射光波長的相對大小采用不同的計(jì)算方法。當(dāng)粒子尺度比入射光波長小得多時，采用瑞利散射公式來處理；當(dāng)粒子尺度與入射光波長可比擬時，采用米散射公式來處理；當(dāng)粒子尺度比入射光波長大得多時，則需要按照幾何光學(xué)來處理。
大氣光學(xué)被應(yīng)用在環(huán)境科學(xué)、天氣預(yù)報、遙感等許多方面。比如，通過對大氣氣溶膠的光學(xué)厚度進(jìn)行觀測實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的空氣污染情況進(jìn)行監(jiān)測。通過收集大氣光學(xué)數(shù)據(jù)，進(jìn)行天氣預(yù)報。通過對大氣光學(xué)特性進(jìn)行檢測，進(jìn)而設(shè)計(jì)出符合實(shí)際場景的遙感通信設(shè)備。
波動光學(xué)
以光的波動性質(zhì)為基礎(chǔ)的光學(xué)稱為波動光學(xué)，其主要研究光的干涉，衍射和偏振等波動現(xiàn)象。而幾何光學(xué)撇開了光的波動本性，僅以光的直線傳播性質(zhì)為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中的傳播問題，所以幾何光學(xué)只是波動光學(xué)的近似情況。波動光學(xué)比幾何光學(xué)更涉及光的本性，能解釋光在各向同性均勻介質(zhì)中的直線傳播等光學(xué)現(xiàn)象。其主要應(yīng)用在生產(chǎn)、科研、藥學(xué)專業(yè)、醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域。例如，利用衍射現(xiàn)象探測微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了脫氧核糖核酸雙螺旋結(jié)構(gòu)，利用干涉現(xiàn)象發(fā)明的激光干涉儀可以精密檢測位移。
量子光學(xué)
量子光學(xué)是研究光場的相干性、量子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，以及基于量子理論框架的光與物質(zhì)的相互作用的學(xué)科。它能定量描述光的發(fā)射和接收的微觀機(jī)理，反映波粒二象性本質(zhì)，處理光子糾纏和非局域性問題。量子光學(xué)涌蓋了幾何光學(xué)、波動光學(xué)和電磁光學(xué)的全部理論，能夠解釋已知的全部光學(xué)現(xiàn)象。其主要應(yīng)用在量子力學(xué)研究中，例如量子態(tài)重構(gòu)、量子非破壞性測量、量子力學(xué)基本原理的量子光學(xué)方法檢驗(yàn)等。
應(yīng)用
儀器
顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、棱鏡、透鏡等光學(xué)儀器均是利用幾何光學(xué)知識設(shè)計(jì)制造的儀器。以折射望遠(yuǎn)鏡中的開普勒式望遠(yuǎn)鏡為例，其結(jié)構(gòu)中的透鏡運(yùn)用了光的折射原理，其物鏡和天文望遠(yuǎn)鏡目鏡都是凸透鏡。遠(yuǎn)處的物體發(fā)出的光線通過物鏡折射到鏡筒內(nèi)，再通過目鏡折射后成像在無窮遠(yuǎn)處，使人眼可以在放松狀態(tài)下觀察所成像。廣義上的望遠(yuǎn)鏡可以使人們可以觀察、瞄準(zhǔn)、測量遠(yuǎn)處的物體，甚至可以觀測人眼看不見的電磁波。多運(yùn)用于地面觀測、天文觀測、天文攝影、太空探測等領(lǐng)域。
通信
利用幾何光學(xué)原理制造的光纖是一種導(dǎo)光、導(dǎo)像和成像的元件，被應(yīng)用在國防、通信等領(lǐng)域。光纖由兩層圓柱狀媒質(zhì)組成，內(nèi)層為纖芯，散逸層為包層，纖芯的折射率要稍大于包層的折射率。光線從光纖的一端以一定的角度射入光纖纖芯之中，在纖芯與包層的介質(zhì)分界面上發(fā)生反射，再傳播到另一側(cè)分界面。光線在光纖內(nèi)連續(xù)發(fā)生反射，直到光線從光纖的另一側(cè)射出。光纖的孔徑越大，其能接收的光能就越多。將信息以一定的規(guī)律編碼成光線的狀態(tài)，就可以經(jīng)過光纖高速傳播，在光纖的另一端再將光線轉(zhuǎn)換為信息，實(shí)現(xiàn)通信。
醫(yī)療
利用幾何光學(xué)原理制成的醫(yī)用內(nèi)窺鏡在食道、胃和十二指腸的檢查中應(yīng)用廣泛。
被觀察物體AB發(fā)出的光經(jīng)過直角屋脊棱鏡時發(fā)生全發(fā)射，光線在物鏡中再次發(fā)生折射，然后進(jìn)入傳像纖維管。光線在傳像纖維管連續(xù)發(fā)生反射，以與進(jìn)入傳像纖維管的光線相平行的方向射出傳像纖維管，進(jìn)入到天文望遠(yuǎn)鏡目鏡當(dāng)中，被觀察者觀察到，醫(yī)生便可以根據(jù)觀察到的真實(shí)影響對患者進(jìn)行診斷。
參考資料 >
AMERICAN HERITAGE DICTIONARY APP.ahdictionary.2024-03-15
浩渺宇宙 哈勃望遠(yuǎn)鏡帶人類目窮何處?.中國數(shù)字科技館.2024-02-26