波阵面

在物理学中，时变波场的波阵面是所有具有相同相位的点的集合（轨迹）。 该术语通常仅对在每个点以单一时间频率随时间正弦变化的场有意义（否则相位未明确定义）。

波阵面通常随时间移动。 对于在一维介质中传播的波，波前通常是单点； 它们在二维介质中是曲线，在三维介质中是曲面。

对于正弦平面波，波前是垂直于传播方向的平面，与波一起沿该方向移动。 对于正弦球面波，波阵面是随波面扩展的球面。 如果波前不同点的传播速度不同，则波前的形状和/或方向可能会因折射而改变。 特别是，透镜可以将光波前的形状从平面变为球面，反之亦然。

在经典物理学中，衍射现象由惠更斯-菲涅尔原理描述，该原理将传播波前中的每个点视为单个球面小波的集合。 当来自相干源（例如激光）的波遇到大小与其波长相当的狭缝/孔径时，特征弯曲模式最为明显，如插入的图像所示。 这是由于通过不同长度的路径行进到配准表面的波前（或等效地，每个小波）上的不同点的添加或干涉。 如果有多个紧密间隔的开口（例如，衍射光栅），则会产生不同强度的复杂图案。

光学系统可以用麦克斯韦方程描述，声波或电子束等线性传播波也有类似的波动方程。 然而，考虑到上述简化，惠更斯原理提供了一种快速方法来预测波前在自由空间中的传播。 构造如下：让波前上的每个点都被认为是一个新的点源。 通过计算每个点源的总效应，可以计算新点处的结果场。 计算算法通常基于这种方法。 可以直接计算简单波前的特定情况。 例如，球形波前将保持球形，因为波的能量在所有方向上均等地被带走。 这种始终垂直于波前的能量流方向称为产生多个波前的射线。

波前的最简单形式是平面波，其中光线彼此平行。 来自这种波的光被称为准直光。 平面波前是非常大的球面波前的表面截面的良好模型； 例如，太阳光以半径约为 1.5 亿公里（1 个天文单位）的球面波阵面射向地球。 对于许多目的，这样的波前可以被认为是超过地球直径距离的平面。

波阵面在各向同性介质中以光速向各个方向传播。

利用波前测量或预测的方法可以被认为是透镜光学的高级方法，其中由于透镜厚度或缺陷可能不存在单一焦距。 出于制造原因，理想的镜片具有球面（或环形）表面形状，但理论上理想的表面应该是非球面。 光学系统中的这些缺点会导致所谓的光学像差。 最著名的像差包括球面像差和彗差。

然而，由于大气折射率的空间变化，可能存在更复杂的像差源，例如在大型望远镜中。 光学系统中的波前与理想的完美平面波前的偏差称为波前像差。

波阵面像差通常被描述为采样图像或二维多项式项的集合。 这些像差的最小化被认为对于光学系统中的许多应用是可取的。

波前传感器是一种测量相干信号中的波前像差以描述光学系统中光学质量或缺乏光学质量的装置。 一种非常常见的方法是使用 Shack–Hartmann 小透镜阵列。 有许多应用，包括自适应光学、光学计量学，甚至眼睛本身的像差测量。 在这种方法中，弱激光源直接进入眼睛，并对视网膜的反射进行采样和处理。

Shack-Hartmann 系统的替代波前传感技术正在出现。 相位成像或曲率感测等数学技术也能够提供波前估计。