2: 几何光学和图像形成
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本章介绍几何光学的主要思想，它描述了由于反射和折射而产生的图像形成。 它之所以被称为 “几何” 光学，是因为可以使用几何结构（例如射线图）对图像进行表征。 我们已经看到，可见光是一种电磁波；但是，只有当光与尺寸与波长（可见光约为500 nm）的物体相互作用时，它的波浪性质才显而易见。 因此，几何光学定律仅适用于与远大于光波长的物体的光相互作用。
- 2.1：几何光学和图像形成前奏
- loud Gate 是阿尼什·卡普尔创作的公共雕塑，位于芝加哥千禧公园。 它的不锈钢板可以反射和扭曲周围的图像，包括芝加哥的天际线。 它于 2006 年投入使用，现已成为一个受欢迎的旅游胜地，它说明了艺术如何利用物理光学原理来惊吓和娱乐。
- 2.2: 由平面反射镜形成的图像
- 反射定律告诉我们，入射角与反射角相同。 平面镜子总是形成虚拟镜像（在镜子后面）。 图像和物体与平面镜的距离相同，图像大小与物体大小相同，图像是直立的。
- 2.3: 球面反射镜
- 球面反射镜可以是凹的（会聚的）或凸的（发散）。 球面镜的焦距是其曲率半径的一半:\(f = \frac{R}{2}\). 镜像方程和光线追踪允许您对球面镜形成的图像进行完整描述。 球面反射镜会出现球面像差，但抛物面反射镜不发生球差；两种类型的反射镜都会出现昏迷像差。
- 2.4: 由折射形成的图像
- 当通过两个介质之间的平面界面观察到一个物体时，它出现在与实际距离不同的视觉距离高处\(h_0\):\(h_i = \left(\frac{n_2}{n_1}\right)h_0\). 图像是由光在两个折射率介质n1和之间的球形界面处的折射形成的\(n_2\)。 图像距离取决于界面的曲率半径、物体的位置和媒体的折射率。
- 2.5: 超薄镜头
- 可能有两种类型的镜头：会聚和发散。 使光线向（远离）其光轴弯曲的镜头是会聚（发散）镜头。 在本节结束时，您将能够使用射线图来定位和描述镜头形成的图像，并使用薄镜头方程来描述和定位由镜头形成的图像。
- 2.6: 眼睛
- 人眼可能是所有光学仪器中最有趣和最重要的。 我们的眼睛具有多种功能：它们使我们能够感知方向、运动、颜色和距离。 在本节中，我们将探讨眼睛的几何光学。
- 2.7: 相机
- 相机使用镜头组合来创建用于录制的图像。 在本节结束时，您将能够：描述相机的光学元件。 描述相机创建的图像。
- 2.8: 简单放大镜
- 简单的放大镜是一种会聚镜头，它可以生成位于镜头焦距内的物体的放大虚拟图像。 当眼睛观察时，图像的放大倍率是角度放大倍率 M，它由图像所对应的角度\(θ_{image}\)与物体对应角度的\(θ_{object}\)比率来定义。
- 2.9: 显微镜和望远镜
- 许多光学设备包含的不仅仅是单个镜头或反射镜。 通过按顺序考虑每个元素来分析这些元素。 第一个形成的图像是第二个的对象，依此类推。 前面章节中开发的光线追踪和薄镜头技术同样适用于每个镜头元件。 多元素系统的总体放大倍率是其各个元素的线性放大倍率乘以目镜角度放大倍率的乘积。
缩略图：凸面球面镜反射的光线：平行于光轴的入射光线从凸面球面镜反射，似乎来自镜面另一侧焦距 f 处的清晰焦点。 焦点是虚拟的，因为没有真正的光线穿过它。 (CC BY 4.0; OpenStax)