光线由光密介质入射到光疏介质，在介质界面上折射时，根据折射定理可知，入射角小于折射角。随着入射角的增大，折射角也将增大，当入射角增大到某一定值ic时，折射角将为π/2。如果入射光线的入射角大于或等于ic，则不存在折射光线，光全部被反射，这种光线全部被反射，而无折射光线的现象称为全反射，入射角称为临界角，当光线以临界角射到介质界面时，根据折射定理有
即
图4-4 全反射
光的全反射现象广泛地应用于光学仪器中产生反射，光学纤维就是利用全反射原理制造的光学元件，由于光学纤维具有重大的应用价值，近几十年来已发展成为一门新的学科——纤维光学，它是近代光学的一个重要分支。光学纤维由两层材料组成，内层(芯)通常是由透明玻璃或透明塑料组成，外层(涂层)由玻璃或塑料构成，要求芯的折射率必须大于涂层的折射率，并且芯和涂层之间有良好的光学接触。这样，只要选取适当的入射角度，总可以使光在界面(芯和涂层)上的入射角大于全反射时的临界角，经多次全反射光线就可以从光学纤维的一端传到另一端。
如图4-5(b)所示，一条光线由折射率为n0的介质射到光学纤维上，显然这条入射光线的入射角越大，则经折射后，该折射光线入射到芯和涂层的界面的入射角就越小。因此，要使折射光在光学纤维中发生全反射，必须使入射光线的入射角i小于一定值im才能使光线由光学纤维一端传至另一端，根据折射定律，入射光线的最大入射角im应满足下式：
由于全反射时
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因此
即
由此可见，对于给定的光学纤维，只有入射光线的入射角小于im范围内的那些光线才能通过光学纤维，式(4-5)中n0sinim称为光学纤维的数值孔径，它是反映光学纤维聚光的物理量。
图4-5 光学纤维中的全反射
光学纤维的直径很小(5～10μm)，因此光学纤维在弯曲情况下也不影响光的传播，单根光学纤维不能传输图像，只能传输图像的一部分，但由许多光学纤维组成的光学纤维束则可以传输图像。
图4-6 通过光学纤维传输图像
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