虚像

定义

虚像(virtual image)是指物点发出的光经光学元件反射或折射后,出射光束仍为发散光束时,各光线反向延长所得交点对应的像点,所有此类像点的集合构成物体的虚像^[1][2]。几何光学把实际光线真正通过的交点称为实像点,把仅由光线延长线相交得到的点称为虚像点,两者构成成像概念中的一对基本区分^[3]。台湾的测绘学辞书同样把虚像界定为反射光或折射光反方向延长线相交形成、并非由实际光线构成的像^[4]。

虚像与实像的差别可以从呈现方式辨认:实像既能被眼睛直接观看,也能投射到光屏或感光底片上;虚像可以被眼睛看到,却不能由光屏承接^[1]。人观察虚像时仍有光线进入眼睛,这些光线来自光学元件的反射或折射,只是视觉经验使观察者以为它们从像点发出^[5]。

原理

物体表面可看作由许多物点组成,每个物点向四周发出同心光束,也称单心光束。光学系统的作用在于对这些光束进行变换,使其成为新的会聚或发散同心光束,出射光束的中心即为像点^[3]。当变换后的光束发散、光线不会真正相交时,将其沿出射方向反向延长,延长线的交点就是虚像点的位置^[6]。

以平面镜为例,物点在镜前发出的一部分光线经镜面反射后进入眼睛,反射光线的反向延长在镜后交于一点,观察者便觉得物体位于镜后。该位置并不存在实际光源,也没有光线会聚,因此是虚像^[1]。平面镜所成虚像与物大小相同,物距与像距相等,像相对镜面与物对称^[7]。

在近轴条件下,球面界面同样可用物像公式描述成像关系,无论出射光线是会聚还是发散,物像公式的形式保持不变;发散光束的反向延长线交点即对应虚像^[8]。像点位置的符号与正负约定因教材体系而异,但判断虚实的关键在于实际光线是否经过该点^[3]。

发展历程

利用虚像的器物出现甚早,但把虚像与实像明确区分开来,依赖几何光学对光束与像点的系统分析。近代光学教材以同心光束是否在实际空间相交作为成像分类的依据,由此建立起实物、虚物、实像、虚像四个概念组成的框架^[3]。

此后虚像概念成为中学与大学光学课程的基础内容。教学中普遍存在的难点在于如何理解「虚像不由实际光线形成」这一表述,相关教学研究提出应借助光路作图与光屏实验帮助学生建立直观认识^[9]。在理论层面,研究者还用费马原理等几何光学基本定律推导球面界面的虚像物像关系,以检验经典成像理论的普适性^[8]。

虚像概念也进入了工程文献。立体显示领域的专利文献指出,虚成像系统形成的像并不落在显示表面上,而是由光学系统配合眼睛形成,其像的大小不受显示面尺寸限制;文献同时提到,该术语在部分专利中被不规范地用来泛指电子生成的图像,偏离了光学的严格定义^[10]。

应用

日常反射成像中,平面镜成等大正立的虚像,凸面镜成缩小正立的虚像,常用于扩大视野,如车辆后视镜、道路转弯处的反光镜和商店角落的镜子。凹面镜在物距小于焦距时成正立放大的虚像,化妆镜与部分照明反射器即利用这一性质^[1]。

折射成像方面,凸透镜在物距小于焦距时成正立放大的虚像,放大镜与远视眼镜据此工作^[2]。凹透镜在任何物距下都成正立缩小的虚像,近视眼镜即为其典型应用。此外,透过水面观察池底、透过玻璃板观察物体时,所见位置因折射而发生偏移,也属于虚像现象。

在显示与光学仪器领域,虚像成像被用于头戴显示、立体观看等系统。相关专利文献认为,相比投影实像,虚像方案无需依赖大尺寸显示表面,像的尺寸也不受显示面大小与位置限制,并可避免屏幕伪像的补偿问题^[10]。

局限

虚像最基本的限制是无法由光屏或感光底片接收。由于相应位置并无实际光线会聚,把光屏放在虚像处不会出现图像,这也是判定虚实的实验依据^[3][6]。因此虚像不能被直接记录为投影画面,只能借助眼睛或后续光学系统再次成像。

观察虚像对观察位置也有要求。与发光物点可以向各个方向发光不同,虚像对应的出射光束只分布在有限范围内,观察者必须处于该光束覆盖的区域才能看到像,离开这一范围便看不到虚像^[6]。

概念使用上还存在术语混淆问题。部分专利与文献把电子方式产生的图像也称作虚像,与光学中以光线延长线交点定义的虚像并不相同,这种不规范用法会给技术交流带来歧义^[10]。

参见

• 实像 —— 由实际光线会聚而成、可被光屏承接的像,与虚像相对。

• 平面镜 —— 最常见的成虚像光学元件,像与物关于镜面对称。

• 凸透镜 —— 物距小于焦距时成正立放大的虚像,放大镜即其应用。

• 凹透镜 —— 任何物距下都成正立缩小的虚像,用于矫正近视。

• 几何光学 —— 以光线和光束变换分析成像的学科分支,虚像概念即源于此。

• 焦距 —— 决定透镜与面镜成像虚实和放大率的关键参量。