Testwiki:臺灣教育專案/臺大物理系服務學習/111-2/虛像

平面鏡反射虛像

虛像（英語：Virtual image）在光學中，物體的光線若是匯聚為一點，則該點會存在此物體的影像。匯聚的情況分為兩種，光線實際聚集在同一點稱之為實像。另一種則是光的反向延長線聚集在同一點，稱之為虛像。不過因為光是直線前進的。因此要產生虛像需要鏡子或是透鏡，產生折射或是反射改變光的行徑路線，才有可能產生。在光學系統圖中，光實際經過的路徑用實線表示，因此實線的交會點即為實像，光路徑的反向延長使用虛線，而虛線的交會點則為虛像。

因為光線並沒有實際抵達虛像產生的點，因此若在該位置放置屏幕，並沒有辦法成像。但是，實像的光有抵達該點，因此透過屏幕，我們可以看見圖像。

平面鏡產生的虛像

以下舉幾個可能產生虛像的例子: 首先是平面鏡產生的虛像，假設一個人站在鏡子前，腳趾頭放出了兩道光，經由鏡子反射，兩道光經由鏡子反射會逐漸遠離，但若反向延長兩道光可以找到交於一點，即為腳趾頭的虛像，再將人的四肢、軀幹、頭部，做相同的圖，即可到得到整個人的虛像。

凹透鏡及凸面鏡也會產生虛像

上：凹透鏡所成的虛像。下：凸面鏡所成的虛像。圖中黑色箭頭O為物體，灰色箭頭I為虛像，f為鏡的焦點，藍色箭頭是光路，藍色虛線即是其反向延長線。

凹透鏡及凸面鏡也會產生虛像，若考慮凹薄透鏡以及凸薄面鏡會有兩個性質，第一，通過鏡心不偏折。第二，平行光軸的光會匯聚焦點。(注意:若是凹透鏡則匯聚於另一邊焦點，若是凸透鏡則會發散光線，將光線反向延長交於原本這側的焦點)，透過這兩條線，我們能夠預測光的交匯位置。以下是產生虛像的情形。

在凸透鏡的焦點與鏡面之間，會產生放大正立虛像 在凹透鏡的焦點之外，會產生縮小正立虛像 在凹透鏡的焦點與鏡面之間，會產生縮小正立虛像 在凹透鏡的焦點上，會產生縮小正立虛像

虛像的位置判斷

在薄透鏡的情形下，我們也可以使用高斯公式判斷: $\frac{1}{p}+\frac{1}{q}=\frac{1}{f}$

其中$p$ 為物體至鏡面的距離(簡稱物距)，$q$ 為像至鏡面的距離(簡稱像距)，而$f$ 則是鏡面與焦點的距離，也被稱為焦距。在一開始我們可以將物距與焦點帶入。要特別注意的是，凸透鏡的焦距是正的，凹透鏡的焦距是負的，由此公式算出來的像距為正，代表此像為實像，若為負則此像為虛像。

虛像應用

全像攝影

透過兩道同調光源，一道被稱作物體光線照射在物體表面上反射至底面，另一道為參考光線，直接照向底片，用高解析度的底片記錄其所有的振幅與相位的資訊，最後在使用的時候直接用相同的參考光線方向照向底片，底片會偏振出已經紀錄好的振幅與相位，因此我們可以看見三維的物體虛像。

海市蜃樓

圖中 i 在經過不同溫度的空氣產生許多次折射，最後形成彎曲的弧線前進，產生了虛像。

較為粗略的分類方式是由出現位置與原本位置的相對方位，分成上蜃、下蜃、側蜃，這裡舉下蜃作為例子，產生的原因是因為空氣被不均勻加熱，產生熱下冷上的分層，並且因為熱空氣密度較大，因此較熱的空氣折射率較小，光在不同溫度的空氣層中會產生折射，並且在熱空氣進入冷空氣時逐漸偏向法線，因此人眼誤以為實物在近處的其實是因為被無數次折射產生出來的虛像。