光的反射现象

当波遇到不吸收辐射能量的表面或其他边界并使波从表面反弹时，发生光（和其他形式的电磁辐射）的反射。可见光反射的的例子是光滑水池的表面，其中入射光以有序的方式反射，以产生池周围的风景的清晰图像。将一块石头扔进水池（见图1），水被扰动形成波浪，通过将反射光线散射到各个方向来破坏反射。

关于光反射的一些早的描述来自古希腊数学家欧几里德，他在公元前300年左右进行了一系列实验，并且似乎对光的反射方式有了很好的理解。然而，直到一千五百年后，阿拉伯科学家Alhazen提出了一项法律，准确描述光线撞击光滑表面然后反射到太空时会发生什么。

入射光波被称为入射波，和从表面弹掉波被称为反射波。以一定角度（入射）照射到镜子表面上的可见白光被镜子表面以另一个角度（反射）反射回空间，该角度等于入射角，如同光束的作用所示。来自手电筒的光在图2中的光滑平面镜上。因此，入射角等于可见光的反射角以及电磁辐射光谱的所有其他波长。这个概念通常被称为反思定律。重要的是要注意，光没有被分离成其分量颜色，因为它没有被“弯曲"或折射，并且所有波长都以相等的角度被反射。反射光的表面非常光滑，例如玻璃镜或抛光金属，尽管几乎所有表面都会在一定程度上反射光。

因为光在某些方面表现为波浪，而在其他方面就像是由粒子组成，所以出现了几种独立的光反射理论。根据基于波的理论，光波在所有方向上从光源向外扩散，并且在撞击镜子时，以由光到达的角度确定的角度反射。反射过程将每个波从前向后反转，这就是观察到反向图像的原因。光波的形状取决于光源的大小以及波到达镜子的距离。源自镜子附近的光源的波前将是高度弯曲的，而远距离光源发出的波前几乎是线性的，这将影响反射角度。

根据粒子理论，它在一些重要细节上与波浪概念不同，光以微小粒子流的形式到达镜子，称为光子，在撞击时从表面反弹。因为粒子非常小，它们非常靠近地（几乎并排）并且从不同点反弹，所以它们的顺序通过反射过程反转，产生镜像。然而，无论光是作为粒子还是波作用，反射的结果都是相同的。反射光产生镜像。

物体反射的光量以及它如何被反射，在很大程度上取决于光滑度或纹理的程度表面的。当表面缺陷小于入射光的波长时（如镜子的情况），实际上所有的光都被均等地反射。然而，在现实世界中，大多数物体具有呈现漫反射的旋绕表面，入射光在所有方向上反射。我们每天随意观看的许多物体（人，车，房屋，动物，树木等）本身并不发出可见光，而是反射入射的自然阳光和人造光。例如，苹果呈现闪亮的红色，因为它具有相对光滑的表面，其反射红光并吸收其他非红色（例如绿色，蓝色和黄色）波长的光。光的反射可以大致分为两种类型的反射。 镜面反射被定义为从光滑表面以一定角度反射的光，而漫反射是由粗糙表面产生的，这些表面倾向于在所有方向上反射光（如图3所示）。在我们的日常环境中，漫反射远远超过镜面反射。

为了可视化镜面反射和漫反射之间的差异，请考虑两个非常不同的表面：光滑的镜面和粗糙的红色表面。镜子几乎相等地反射白光（例如红色，绿色和蓝色波长）的所有分量，并且反射的镜面光遵循与入射光具有与法线相同角度的轨迹。然而，粗糙的红色表面并不反射所有波长，因为它吸收大部分蓝色和绿色成分，并反射红光。而且，从粗糙表面反射的漫射光在所有方向上散射。

也许镜面反射，这是我们每天都会遇到的的例子，是镜像的人们可能会用很多次，每天查看其外观的家用镜子产生。镜子的光滑反射玻璃表面呈现虚拟图像来自光线的观察者直接反射回眼睛。该图像被称为“虚拟"，因为它实际上不存在（没有光产生）并且由于大脑自然产生的假设而看起来在镜子的平面后面。当观察放置在观察者一侧的物体的反射时，发生这种情况的方式容易可视化，使得来自物体的光以一定角度照射到镜子并以与观察者眼睛相等的角度反射。 。当眼睛接收到反射光线时，大脑会认为光线以直接的直线路径到达眼睛。将光线向后追踪到镜子，大脑感知到位于镜子后面的图像。

在镜子中看到的反射类型取决于镜子的形状，并且在某些情况下，被反射的物体定位的距镜子有多远。镜子并不总是平坦的，可以以各种配置生产，提供有趣和有用的反射特性。 凹面镜通常在大的光学望远镜中发现，用于收集从遥远的恒星发出的微弱光。曲面将来自很远距离的平行光线集中到单个点以增强强度。这种镜子设计也常见于剃须或化妆镜中，其中反射光产生脸部的放大图像。闪亮的勺子的内部是凹面镜面的常见示例，并且可以用于展示该镜子类型的一些属性。如果勺子的内部靠近眼睛，则可以看到放大的眼睛直立视图（在这种情况下，眼睛比镜子的焦点更近）。如果勺子移动得更远，可以看到整个脸部的缩小的倒置视图。

另一种常见的镜子具有弯曲表面，凸起镜子通常用于汽车后视镜反射器应用中，其中向外的镜子曲率产生在车辆后面发生的事件的更小，更全景的视图。当平行光线照射到凸面镜的表面时，光波向外反射，使它们发散。当大脑回扫光线时，它们似乎来自镜子后面会聚，产生较小的直立图像（图像是直立的，因为虚拟图像是在光线穿过焦点之前形成的）。凸面镜也用作走廊和企业的广角镜，以确保安全性。弧形镜子趣的应用是在州博览会，嘉年华会和有趣的房子里发现的新奇镜子。这些镜子通常包含凹面和凸面的混合物，

可以使用勺子来模拟凸面和凹面镜子，如图4所示，用于反射站在木栅栏旁边的年轻女子。当女人和围栏的图像从勺子的外碗表面（凸起）反射时，图像是直立的，但在勺子曲率变化的边缘处扭曲。相反，当勺子的反面（内碗或凹面，表面）用于反射场景时，女人和围栏的图像被反转。

从凹面镜和凸面镜获得的反射图案如图5所示。凹面镜具有向内弯曲的反射表面，类似于球体内部的一部分。当平行于主轴或光轴的光线从凹面镜的表面（在这种情况下，来自猫头鹰脚的光线）反射时，它们会聚在镜子前面的焦点（红点）上。从反射表面到焦点的距离称为镜子的焦距。图像的大小取决于物体与镜子的距离及其相对于镜子表面的位置。在这种情况下，猫头鹰远离曲率中心放置，反射的图像上下颠倒，位于镜子的曲率中心和焦点之间。

凸面镜具有向外弯曲的反射表面，类似于球体外部的一部分。平行于光轴的光线从表面反射，该方向偏离镜子后面的焦点（图5）。用凸面镜形成的图像总是正面朝上并且尺寸减小。这些图像也称为虚拟图像，因为它们出现在反射光线看起来从镜子后面的焦点发散的地方。

切割宝石的方式是光反射原理在美学上更重要和令人愉悦的应用之一。特别是在钻石的情况下，单个宝石的美观和经济价值在很大程度上取决于外部面（或刻面）的几何关系）宝石。切割成钻石的刻面是有计划的，以便落在石头正面的大部分光线被反射回观察者（图6）。一部分光直接从外侧上刻面反射，但是一些光进入金刚石，并且在内部反射之后，从下刻面的内表面反射回石头。这些内部射线路径和多次反射是钻石闪光的原因，通常被称为“火"。完美切割石头的一个有趣结果是，从正面看时会显示出明亮的反射，但从背面看起来会变暗或变钝，如图6所示。

光线从它们到达的所有角度从镜子反射。然而，在某些其他情况下，光可能仅从某些角度而不是其他角度反射，导致称为全内反射的现象。这可以通过以下情况来说明：在*平静的水面下工作的潜水员在表面直接向上照射明亮的手电筒。如果光线以直角照射到表面，它会直接从水中射出，因为垂直光束投射到空气中。如果光束与表面成一个小角度，使其以倾斜角度撞击表面，光束将从水中射出，但会通过向表面平面的折射而弯曲。出射光束与水面之间的角度将小于光束与水下表面之间的角度。

如果潜水员继续以更大的掠射角度将光线照射到表面，则从水中上升的光束将越来越接近表面，直到在某一点它将平行于表面。由于折射引起的轻微弯曲，在水下方的光达到相同角度之前，出射的光束将变得平行于表面。出射光束与表面平行的点出现在水的临界角。如果光线进一步倾斜，则不会出现任何光线。所有的光都不会被折射，而是会像在镜子表面那样在水面上反射回水中。

全内反射的原理是光纤光传输的基础，使得内窥镜检查，语音传输等医疗程序可编码为光脉冲，以及光学照明器等设备广泛用于显微镜和其他需要精密照明的任务效果。双筒望远镜和单镜头反光照相机中使用的棱镜也利用全内反射将图像引导到几个90度的角度并进入用户的眼睛。在光纤传输的情况下，进入光纤一端的光在光纤壁内部反射多次，因为它向另一端蜿蜒，没有光从薄纤维壁逸出。这种“管道"的方法

只有在某些条件下才能进行全内反射。光需要在具有相对高折射率的介质中传播，并且该值必须高于周围介质的值。因此，水，玻璃和许多塑料在被空气包围时适合使用。如果材料选择得恰当，光纤或光管内的光线反射将与内表面成一个小角度（见图7），并且所有光线将*包含在管道中，直到它从远端出来。然而，在光纤的入口处，光必须以高入射角撞击末端，以便穿过边界并进入光纤。

在许多光学仪器和设备中利用反射原理获得很大益处，并且这通常包括应用各种机制来减少参与图像形成的表面的反射。抗反射技术背后的概念是以这样的方式控制光学装置中使用的光，使得光线从其预期和有益的表面反射，并且不会从这将对图像产生有害影响的表面反射。被观察。无论是用于显微镜，照相机还是其他光学设备，现代镜头设计中重要的进步之一是抗反射涂层技术的改进。

当应用于透镜表面时，某些材料的薄涂层可以帮助减少当光通过透镜系统时可能发生的来自表面的不希望的反射。对光学像差进行高度校正的现代镜头通常具有多个单独的镜头或镜头元件，它们机械地保持在镜筒或镜筒中，并且更恰当地称为镜头或光学镜头。系统。这种系统中的每个空气 - 玻璃界面，如果没有涂覆以减少反射，可以反射垂直于表面的入射光束的百分之四到百分之五，导致垂直入射时的透射率值为95％至96％。施加具有特定选择的折射率的四分之一波长厚的抗反射涂层可以使透射率增加百分之三到百分之四。

用于显微镜的现代物镜以及为照相机和其他光学装置设计的物镜已经变得越来越复杂和复杂，并且可能具有15个或更多个具有多个气玻璃界面的单独透镜元件。如果没有任何元件被涂覆，则仅由轴向光线在透镜中的反射损失将使透射率值降低至约50％。过去，单层涂层用于减少眩光并改善透光性，但这些涂层已经在很大程度上被多层涂层取代，多层涂层可以产生超过99.9％的可见光透射率值。

图8中所示的是从涂有两个抗反射层的透镜元件反射和/或穿过的光波的示意图。入射波以一定角度撞击层（图8中的层A），导致部分光被反射（R（0））并且部分光透过层。在遇到第二抗反射层（层B）时，另一部分光（R（1））以相同的角度反射并干扰从层反射的光。一些剩余的光波继续到达玻璃表面，在那里它们再次被部分反射并部分透射。从玻璃表面反射的光（R（2））与抗反射层反射的光干涉（建设性地和破坏性地）。抗反射层的折射率不同于玻璃和周围介质（空气）的折射率，并且根据特定透镜元件中使用的玻璃的成分仔细选择，以产生所需的折射角。当光波穿过抗反射涂层和玻璃透镜表面时，几乎所有的光（取决于入射角）终透过透镜元件并聚焦以形成图像。

氟化镁是用于薄层光学抗反射涂层的众多材料之一，尽管大多数显微镜和镜片制造商现在都生产自己专有的涂层配方。这些抗反射措施的一般结果是光学装置中图像质量的显着改善，因为可见波长的透射增加，不需要的反射减少眩光，以及消除位于可见光光谱范围之外的不需要的波长的干扰。

可见光的反射是光行为的特性，这是所有现代显微镜功能的基础。光通常由显微镜内的一个或多个平面（或平面）镜反射，以引导光路通过透镜，形成我们在目镜（目镜）中看到的虚像。显微镜还利用分束器允许一些光被反射，同时将一部分光传输到光学系统的不同部分。显微镜中的其他光学元件，如专门设计的棱镜，滤光片和透镜涂层，也可以在形成图像时发挥其对光反射现象的重要作用。