几何光学(geometric optics)研究的是光在障碍物尺度比光波长大得多的情况下的传播规律，在这种情

 

几何光学(geometric optics)研究的是光在障碍物尺度比光波长大得多的情况下的传播规律，在这种情况下光沿直线传播，我们用有向直线表示光的传播方向，这有向直线叫做光线在几何光学研究的范畴内，讨论的对象是有限大小的透镜或面镜组成的光学系统。

与这样的光学系统相比，波长趋于零因此讨论光传播规律可以不必考虑光的波动性质但是若系统几何尺寸可以与光波波长相比时，光的波动性会明显显示出来，由几何光学所得的结论将与实际结果有较大的差异，甚至相反因此我们说，几何光学是波动光学在一定条件下的近似。

几何光学所考虑的是光线和波面；而波动光学所考虑的是波长、振幅与相位几何光学是传统的光学仪器和光学器件设计和制造的基础理论在波动光学出现后，几何光学仍在许多光学技术和工程领域中发挥作用．一个极简单的折射定律和反射定律，帮助人们观察和发现了许许多多的科学现象和规律。

直至科学高度发展的今天，在现代光学的许多领域里，人们仍然借助几何光学成功地解释了许多光传输问题如近年来出现的光纤、光波导、和光孤子等新的光传输现象1、几何光学的三个实验定律（１）光的直线传播定律（rectilinear propagation law

）在均匀的介质中，光沿直线传播（２）光的独立传播定律和光路可逆原理光在传播过程中与其他光束相遇时，不改变传播方向，各光束互不受影响，各自独立传播光沿反方向传播，必定沿原光路返回（３）光的反射定律和折射定律。

当光由一介质进入另一介质时，光线在两个介质的分界面上被分为反射光线和折射光线反射定律：入射光线、反射光线和法线在同一平面内，这个平面叫做入射面入射光线和反射光线分居法线两侧，入射角等于反射角（图1），即

折射定律：　入射光线、法线和折射光线同在入射面内，入射光线和折射光线分居法线两侧，且有

式中

为两介质的折射率，其中c为光在真空中的速度，v1和v2分别为光在第一和第二介质中的速度。上式也称为斯涅耳定律。实际上在处理问题时，可以把反射定律当作折射定律在

情况下的特例。按上式，在

时，

，即入射角等于反射角负号表示入射光线和反射光线各在法线的一侧任何媒质相对于真空的折射率，称为该种媒质的绝对折射率，简称折射率折射率较大的媒质称为光密媒质，折射率较小的媒质称为光疏媒质介质折射率不仅与介质种类有关，而且与光波长有关。

在同一种介质中，长波折射率小，短波的折射率大一束白光入射到两种介质界面上，在折射时不同波长的光将分散开来（图2），这种现象叫做色散棱镜光谱仪中的色散元件色散棱镜(图3)就是利用介质的这种性质，将含有多种波长的复色光分散开来。

2．光的全反射当光从光疏介质（折射率小)入射到光密介质(折射率大)时，折射角小于入射角，光在这种情况下的反射叫做外反射；当光从光密介质入射到光疏介质时，折射角大于入射角，光在这种情况下的反射叫做内反射．

发生内反射时，折射角随着入射角的增大而增大．当折射角增大到时，对应的入射角称为临界角，记为ic入射角大于临界角的情况下，全部光能量都反回原介质(图4)，此时光的反射叫做全反射，或者叫做全内反射由折射定律。

，因此临界角

．例如，当光束由折射率为1.5的玻璃入射到折射率为1.0的空气时，其临界角为

反射、折射、全反射的现象应用很多，下面举几个常用的例子：（１）全反射棱镜借助光在棱镜中的全反射改变光进行的方向，这种棱镜被广泛应用在各种光学仪器和各种实验光路中由于全反射时光能量能完全返回原介质，所以它比镀铝或镀其他介质膜的反射镜更优越，后者的反射面上对光能量有一定的吸收；其次在研磨工艺和装校技术上，棱镜可组成多种多样的反射面，且易加工，精度高。

图5-A波罗棱镜使像倒转；图5-B为组合波罗棱镜，使象的上下和左右方位都倒转，这种装置常用在陆地望远镜中，使倒像转变为正像；图5-C为无脊棱镜，使像转过；图5-D为向后反射镜，或称直角四面体，形如立方体割下的一个棱角，三个互相垂直的表面构成顶角

A，角A的中线垂直于第四个折射面空间一定范围的光线，依次经过三个相互垂直的平面反射后，出射光线的方向与入射光线的方向相反这种棱镜在激光谐振腔中可以代替高反射介质镜；在激光测距中把它当作被测目标的反射器，不仅减少了能量的损失，而且减少了瞄准调整的困难．人们测地球到月球的距离，就是将许许多多这样的棱镜粘合起来作为反射器放在月球上，从地球上瞄准反射器发射激光脉冲，则激光脉冲必按原路返回，在地球上记录下发射和接受到激光脉冲的时间间隔，即可测算出地月之间的距离．。

（２）光纤光学纤维（简称光纤）是一根根透明的细玻璃丝．光沿其光滑的内壁不断地发生全反射，可以从光学纤维的一端传播到另一端（详细介绍本文略）（3）落日时太阳为什么变扁了?太阳变扁的原因是因为太阳光通过大气层时发生折射。

当黄昏或者黎明时，太阳入射角最大，因此折射视觉效果也最明显中午时几乎是垂直入射，折射的视觉效果不明显此外，早晨和傍晚的太阳是红色的也是因为折射引起的色散一早一晚的太阳看起来很大也是因为折射（4）在鱼的眼睛里，天空是什么样子呢？

水面上一百八十度范围内的入射光线经过水面折射后,在水中收拢在一个顶角大约是九十七度的锥体内,因而,鱼眼睛里的天空被限制在一个小圆圈内,与坐井观天的青蛙眼睛里的差不多,所不同的是,前者看到的是一个高度收缩的天空

,包括水面以上整个空间,物空间的角范围丝毫没有减小,可以想象,鱼在晴朗夜间看到的星星比我们看到的稠密得多（5）彩虹彩虹是因为阳光射到空中接近圆形的小水滴，造成光的色散及反射而成的阳光射入水滴时会同时以不同角度入射，在水滴内也是以不同的角度反射。

当中以40-42度的反射最为强烈，形成人们所见到的彩虹其实只要空气中有水滴，而阳光正在观察者的背后以低角度照射，便可能产生可以观察到的彩虹现象彩虹最常在下午，雨后刚转天晴时出现这时空气内尘埃少而充满小水滴，天空的一边因为仍有雨云而较暗。

而观察者头上或背后已没有云的遮挡而可见阳光，这样彩虹便会较容易被看到彩虹的明显程度，取决于空气中小水滴的大小，小水滴体积越大，形成的彩虹越鲜亮，小水滴体积越小，形成的彩虹就不明显一般冬天的气温较低，在空中不容易存在小水滴，下雨的机会也少，所以冬天一般不会有彩虹出现。

事实上如果条件合适的话，可以看到整圈圆形的彩虹（例如峨眉山的佛光）形成这种反射时，阳光进入水滴，先折射一次，然后在水滴的背面反射，最后离开水滴时再折射一次，最后射向人们的眼睛光穿越水滴时弯曲的程度，视光的波长（即颜色）而定。

——红色光的弯曲度最大，橙色光与黄色光次之，依此类推，弯曲最少的是紫色光因为水对光有色散的作用，不同波长的光的折射率有所不同，蓝光的折射角度比红光大由于光在水滴内被反射，所以观察者看见的光谱是倒过来，红光在最上方，其他颜色在下。

每种颜色各有特定的弯曲角度，阳光中的红色光，折射的角度是42度，蓝色光的折射角度只有40度，所以每种颜色在天空中出现的位置都不同双重彩虹，上方为霓，下方为虹很多时候会见到两条彩虹同时出现，在平常的彩虹外边出现同心，但较暗的副虹。

(又称霓)副虹是阳光在水滴中经两次反射而成两次反射最强烈的反射角出现在50°至53°，所以副虹位置在主虹之外因为有两次的反射，副虹的颜色次序跟主虹反转，外侧为蓝色，内侧为红色副虹其实一定跟随主虹存在，只是因为它的光线强度较低，所以有时不被肉眼察觉而已。

（6）海市蜃楼海市蜃楼，是一种因光的折射和全反射而形成的自然现象，是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像海市蜃楼是另外空间的真实体现在物质的运动下，反映到我们这个空间里来了一种海市蜃楼发生在海上这里空气湿度大，在一定范围之内的空间空气湿度比较大，另外厚度比较大，这样大面积的水蒸汽在运动下阴差阳错地就能形成一个巨大的透镜系统。

就象一个巨大的放大镜和显微镜一样，把微观世界的另外空间的景象反映到我们的空间来了，人眼就能观察到了（7）为什么金刚石比磨成相同形状的玻璃仿制品显得更加光彩夺目金刚石折射率大于玻璃金刚石相对折射率大约2.4,

玻璃1.1.9.折射率越大,对光的色散作用越强,越显得光彩夺目。

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