光的波动性和光信息传递

在人类生活的宏观领域中，多数情况下必须要考虑光（电磁波）的波动性，一般的波动理论完全适用于光的传播过程。波源所发出的振动在介质中传播时，相同时间所到达的各点所组成的面，称为波面（wave surface），同一波面上各点的振动位相是相同的。我们将最前沿的波面称为波前或波阵面（wavefront）。由点光源发出的单色光，可以看作是电磁场的（简）谐振动在空间的传播，如果介质是均匀各方向同性的，那么光在传播中的波面就会形成一个个同心的球面，称为球面波（spherical wave）。当离点光源很远处，球面很大时，球面上的一小部分就会与平面十分接近，此时在所研究范围内就可以称之为平面波（plane wave）。在特定条件下，还可能会出现柱面波。波面上某点处的正法线方向就是该处波的传播方向，对于电磁波来说，也就是光线的传播方向（图2-1）。

波前和波前像差是一个物理学概念，物理光学认为光线是一种前进中的电磁波，是电磁波中复合场的位相。而在几何光学中，波前是相同位相的包络射线。点光源向周围发出的电磁振动可用下式来表示:

其中，A是振幅，T是振动周期，t是时间。当时间t = T，2T，3T……时，振动过程在这些瞬时的状态是相同的，称为具有相同的振动相位。同时，在某一瞬时t，可在振动传播的方向上同位相的点所形成的面称为波振面，简称波面。与水波类似，波前的峰值代表了相位超前，而波前的谷值代表了相位滞后。在理想成像情况下，点光源经过光学系统后所成的像应该是一个以理想像点为中心的球面——理想波面。

图2-1 波阵面的形成和传播

用光线的矩阵所形成的波前（即实际测量的光学系统的波前）并和理想的球面相比较，就可以发现二者之间存在着偏差，Brown和Wolf称这种偏差为波前像差（wavefront aberration）。同样，所谓眼屈光系统的波前像差就是实际的波前同理想的参考波前之间的偏差，如果实际波前上的某点位于参考波前的前面（相对与光的传播方向），那么该点的波前像差就定义为正值，而如果实际的波前上的某点位于参考波前之后，则该处的波前像差就定义为负值，同样，如果某点正好位于参考波前上，该点就定义为零。