第二章 几何光学基础：光线传播定律、反射与折射、光阑与孔径、视场与像面

各位好，我是老周。做光学设计这些年，我最大的体会是——几何光学不是理论，是直觉。你想想看，挡光环这东西，说白了就是控制光线怎么走、怎么停、怎么被挡住。不懂几何光学，你连光阑放哪都拿不准。

这一章，咱们把基础打牢。我会结合自己做过的项目，把那些容易踩的坑提前告诉你。

2.1 光线传播的基本定律

几何光学有三大定律，我建议你背下来，但更重要的是理解它们背后的物理图像。

• 直线传播定律：在均匀介质中，光沿直线传播。嗯，这是废话，但也是真理。
• 独立传播定律：不同方向的光线相遇后，互不影响，各走各的路。
• 反射与折射定律：光在两种介质界面上，一部分反射，一部分折射。

2.2 反射定律与折射定律

反射定律很简单：入射角等于反射角，入射光线、反射光线和法线在同一平面内。但折射定律（斯涅尔定律）就有点意思了：

n₁ · sin(θ₁) = n₂ · sin(θ₂)

其中 n₁、n₂ 是两种介质的折射率，θ₁ 是入射角，θ₂ 是折射角。

为什么会这样？说白了，光在不同介质里速度不一样。从空气进玻璃，光速变慢，光线就会向法线方向偏折。

2.3 光阑与孔径

光阑，说白了就是挡光的机械结构。在光学系统中，光阑决定了多少光能通过，以及哪些光线能进入系统。

我习惯把光阑分成三类：

• 孔径光阑：限制光束截面大小，决定系统的通光量。
• 视场光阑：限制成像范围，决定系统的视场角。
• 消杂光光阑：专门用来阻挡非成像光线——这就是挡光环的核心角色。

你想想看，一个光学系统里，光线从四面八方来。有些是你要的成像光线，有些是捣乱的杂散光。挡光环就是那个「守门员」，把不该进来的光线挡在外面。

2.4 视场与像面

视场，就是系统能看到的范围。像面，就是光线最终汇聚的地方。

这两个概念和挡光环有什么关系？关系大了去了。

• 视场角：决定了哪些方向的光线是「合法」的。超出视场角的光线，大概率是杂散光。
• 像面大小：决定了探测器或目镜的接收范围。像面以外的光线，要么被吸收，要么被反射——反射回来的就是杂散光。

我记得有一次做红外光学系统的挡光环设计，客户要求视场角 ±5°，但实际测试时发现 ±7° 方向有强杂光。后来一查，是挡光环的内径算小了，导致边缘视场的光线直接打到了镜筒内壁。嗯，这就是典型的「视场与挡光环不匹配」的问题。

2.5 本章知识结构

下面这张图，是我自己梳理的本章知识脉络。你看一遍，应该能对几何光学基础有个整体把握。

2.6 小结与实用建议

这一章的内容，说白了就是一句话：光线怎么走，挡光环就怎么挡。

我个人习惯在做挡光环仿真前，先把系统的光路图画一遍，标出入瞳、出瞳、视场边界和像面位置。这样心里有数，后面算参数才不会跑偏。