浅析光的反射
光线从表面反弹并改变方向时，会发生光反射。 从“光反射”的详细定义到不同类型的反射和示例图像，我们的这篇介绍文章将为您提供有关光反射的一切必要知识。
什么是光的反射？
当光波遇到不吸收光辐射能量并将其反弹开的表面或其他边界时，就会发生光反射（以及其他形式的电磁辐射）。
光反射的示例
可见光反射的最简单例子是在静止水体的表面上，入射光以有序的方式反射，从而产生水体周围风景的清晰图像。 将一块石头扔进水中（见图1），水面会受到扰动，形成波浪，向各个方向散射反射的光线，从而干扰了水面的反射。
![光反射的示例：水面上反射的光]](https://static5.olympus-lifescience.com/data/olympusmicro/primer/lightandcolor/images/reflectionsfigure1.jpg?rev=71FD)
光反射的发现者
关于光反射的部分最早记录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，似乎已经理解了光是如何反射的。 然而，直到一千五百年后，阿拉伯科学家阿尔哈曾才提出了一条定律，精确描述了光线撞击光滑表面然后反弹回来会发生什么。
入射光也被称为入射波，而从表面上反弹开的波称为反射波。 以一定角度（入射）照射到镜子表面的可见白光，被镜子表面以与入射角度相等的另一角度（反射）反射回空间，如图2中手电筒发出的光作用在光滑平面镜上那样。 因此，入射角等于可见光以及电磁辐射光谱中所有其他波长的反射角。 这一概念通常被称为反射定律。 需要注意的是，光没有被分离为其组成颜色，因为它没有被“弯曲”或折射，而且所有波长都以相等的角度被反射。 反射光线的最理想表面应该非常光滑，例如玻璃镜或抛光金属，尽管所有表面都会在一定程度上反射光线。
由于光在某些方面具有波的属性，而在其他方面表现为粒子的属性，因此出现了几种独立的光反射理论。 根据波理论，光波从光源向各个方向传播，并在撞击镜子时，在由到达角度确定的反射角度下反射。 反射过程将每个波从后向前反转，因此会观察到反向的图像。 光波的形状取决于光源的大小以及光波到达镜子前走过的距离。 来自镜子附近光源的波前将高度弯曲，而来自远处光源的波前几乎是线性的。这一因素会影响反射角度。
根据在一些重要细节上不同于波理论的粒子理论，光以叫做光子的微小粒子流的形式到达镜子，然后在撞击时从表面反弹。 因为这些粒子非常小，它们一起移动（几乎是并排的），并从不同的点反弹，所以它们的顺序被反射过程颠倒，从而产生镜像。 不管光是作为粒子还是波，反射的结果都是一样的。 反射光会产生镜像。
物体反射光的程度及其反射方式在很大程度上取决于反射表面的平滑度或纹理。 当表面缺陷小于入射光的波长时（如镜子），几乎所有的光都会被均匀反射。 然而，在现实世界中，大多数物体都有表现出漫反射的复杂表面，会在各个方向上反射入射光。 我们日常看到的许多物体（人、汽车、房屋、动物、树木等） 本身不发射可见光，但会反射入射的自然光和人造光。 例如，苹果呈现出亮红色是因为它有一个相对光滑的表面，能够反射红光并吸收其他非红色波长的光（如绿色、蓝色和黄色）。
光的反射有多少种类型？
光的反射可大致分为两种类型。 镜面反射是指光在光滑表面上以一定角度反射，而漫反射是由倾向于在各个方向上反射光的粗糙表面产生（如图3所示）。 日常环境中，漫反射比镜面反射更常见。
若要看到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：平滑的镜子和粗糙的淡红色表面。 镜子几乎会均匀地反射白光的所有成分（如红色、绿色和蓝色波长），而反射的镜面光的轨迹与入射光的法线角度相同。 然而，粗糙的淡红色表面并不能反射所有波长，因为它吸收了大部分蓝色和绿色成分，并反射红光。 此外，从粗糙表面反射的漫射光会向各个方向散射。
镜子是如何反射光的？
我们日常遇到的最佳镜面反射例子大概是家中镜子产生的镜像，而我们在一天中可能会多次使用镜子来观察自己的外表。 镜子的光滑反射玻璃表面通过直接反射回眼睛的光线而展现出观察者的虚像。 这幅图像被称为“虚像”是因为它实际上并不存在（没有光线产生），而是由于大脑自然产生的假设而似乎位于镜面的背后。 当物体放置在观察者一侧时，来自物体的光线会照射到镜子上。这样在观察这一物体的反射时，就会非常容易地将这种情况可视化。
镜子中看到的反射的类型取决于镜子的形状，而且在某些情况下也取决于被反射物体与镜子之间的距离。 镜子并不总是平面的，它可以被制成各种各样的结构，从而提供有趣和实用的反射特性。 凹面镜常见于大型光学望远镜中，用于收集从遥远恒星发出的微弱光线。 曲面将来自远距离的平行光线集中到一个点，以增强光的强度。 这种镜面设计也常见于剃须镜或化妆镜中，其反射光会产生面部的放大图像。 锃亮的勺子内部也是常见的凹面镜，可以用来演示这种镜面类型的一些特性。 如果将勺子的内表面靠近眼睛，可以看到眼睛放大后的正像（在这种情况下，眼睛比镜面的焦点距离镜面更近）。 如果拿开勺子，就会看到整张脸缩小后的倒像。 这里的图像是反射光穿过镜面焦点后形成的，所以是反转的。
另一种常用的曲面镜（即凸面镜）通常用于汽车的后视镜，其外向反射镜曲率会产生更大全景、更小的车辆后方视图。 当平行光线照射到凸面镜的表面时，光波会向外反射，从而发散。 当大脑追溯光线时，光线似乎从镜子背后汇聚而来，产生一个较小的正像（因为这个虚像是在光线穿过焦点前形成的，所以图像是正立的）。 凸面镜也用于走廊和企业中的广角镜，以确保安全。 曲面镜最有趣的应用是州博览会、嘉年华和游乐园等场所摆放的哈哈镜。 这些镜子通常混合有凹面和凸面，或略微改变曲率的表面，所以当人们站在镜子前，会产生奇异、扭曲的反射。
勺子可以用来模拟凸面镜和凹面镜，例如用勺子反射站在木栅栏旁边的年轻女子，如图4所示。 当女子和围栏的图像从勺子的外表面（凸面）反射时，图像是正立的，但在勺子表面曲率变化的边缘会发生扭曲。 相比之下，在用勺子的反面（内表面或凹面）反射场景时，女子和围栏的图像被反转。
凹面镜和凸面镜上的反射图案如图5所示。 凹面镜有着向内弯曲的反射面，类似于球体内部的一部分。 当平行于主轴或光轴的光线在凹面镜表面上反射（本例中为来自猫头鹰脚的光线）时，它们会聚在镜子前的焦点（红点）上。 从反射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面的位置。 本例中，猫头鹰远离曲率中心，其反射图像是倒立的，并位于镜子的曲率中心和焦点之间。
凸面镜有着向外弯曲的反射面，类似于球体外部的一部分。 平行于光轴的光线在自镜后焦点发散的方向上于表面上反射（图5）。 凸面镜形成的图像总是正面朝上且尺寸缩小。 这些图像也被称为“虚像”，因为它们看起来是反射光线自镜后焦点发散处出现的。
宝石中光的反射
宝石的切割方式是光反射原理在美学上影响更大、更令人赏心悦目的应用之一。 尤其是钻石，每一颗钻石的美丽和经济价值在很大程度上取决于钻石外表面（或刻面）的几何关系。 钻石上切割的刻面经过规划，可让落在钻石正面的大部分光线反射回观察者（图6）。 一部分光直接从外部上刻面反射，但一些光进入钻石，经过内部反射后，从钻石下刻面的内表面反射出来。 这些内部光线路径和多次反射是钻石闪耀的原因，通常被称为“火彩”。 在完美切割的钻石上，从正面看，它会显示出明亮的反射，但从背面看，它会显得更暗或没有光泽，如图6所示。
光线在镜子上会在其到达的所有角度下反射。 然而，在有些情况下，光可能只从某些角度反射，而不能从其他角度反射，导致我们称为“全内反射”的现象。 这种现象可以通过在完全平静的水面下工作的潜水员将强光手电筒直接向上照亮而说明。 如果光线以直角照射水面，它会继续以投射到空气中的垂直光束的形式直接离开水面。 如果光束与水表面角度较小，即在倾斜角度下照射表面，则光束将从水中射出，但会因折射而向水表面的平面弯曲。 出射光束与水表面之间的角度将小于光束与水面下表面之间的角度。
如果潜水员继续以更大的角度向水面倾斜照射光线，从水中出射的光束将越来越靠近水面，直到在某个点与水面平行。 由于光线因折射而弯曲，在水下光线达到相同角度之时，出射的光束将与表面平行。？ 出射光束与表面平行处的点在水的临界角出现。 如果光束的角度再大一点，则完全不会出射。 所有的光不会被折射，而是在水表面上反射回水中，就像在镜子表面反射那样。
光的全内反射
全内反射的原理是光在光纤传输中的基础，让内窥镜检查等医疗程序、编码为光脉冲的电话语音传输以及其他设备成为可能，例如显微镜和其他需要精确照明效果的其他任务中广泛采用的光纤照明器。 双筒望远镜和单镜头反光照相机中使用的棱镜也利用了全内反射原理，让图像通过多个90度角进入用户的眼睛中。 在光纤传输中，进入光纤一端的光在以之字形通向另一端时，于光纤内壁上完成了多次内部反射，且没有任何光会穿过光纤的薄内壁逃逸。 这种“管道式”传输方法可让光保持传播很长的距离，并沿光纤路径进行多次旋转。
全内反射只有在某些条件下才可能实现。 要求光在折射率相对较高的介质中传播，且其折射率必须高于周围的介质。 因此，水、玻璃和许多塑料制品适合在空气中使用。 如果选择了合适的材料，光纤或光导管内的光反射将在与内表面成浅角下发生（见图7），并且所有光都被完全包含在导管内，直到其从远端离开。 但在光纤的入口处，光必须以高入射角照射末端，才能穿过边界进入光纤内内部。
许多光学仪器和设备都充分利用了反射原理，包括常应用各种机制来减少参与成像的表面的反射。 抗反射技术背后的概念是控制光学设备中使用的光，使光线从其预期和有益的表面反射，而不会在对观察图像产生有害影响的表面上反射。 无论是显微镜、相机还是其他光学设备，现代透镜设计中最重要的一项进步是抗反射涂层技术的改进。
使用抗反射涂层减少不必要的光反射
在透镜表面使用由某些材料制成的薄涂层时，可有助于减少光线通过透镜系统时可能出现的不必要的表面反射。 光学像差得到高度校正的现代透镜通常由多个单独的透镜或透镜元件组成。它们以机械方式固定在一个镜筒或透镜管中，或者更确切地称为透镜或光学系统。 这种系统中的每个空气玻璃界面，如果没有涂层以减少反射，则可以反射表面法线入射光束的4%到5%，导致法线入射下95%到96%的透射值。 应用具有专用折射率的四分之一波长厚抗反射涂层，可以让透射值增加3%到4%。
现代显微镜物镜以及为相机和其他光学设备设计的物镜，已经变得越来越复杂，可能有15个或以上的独立透镜元件并有多个空气玻璃界面。 如果所有元件都没有涂层，仅轴向光线在透镜中的反射损失就会让透射率值降低至50%左右。 过去，单层涂层常用于减少眩光和提高透光率，但已被多层涂层所取代，从而可以得到超过99.9%的可见光透射率。
图8中显示了光波反射自和/或穿过涂有两层抗反射层透镜元件的示意图。 入射波以一定角度照射第一层（图8中的A层），导致部分光被反射（R0），而部分光穿过第一层。 到达第二层抗反射层（B层）时，另一部分的光（R1）以相同角度反射，并与从第一层反射的光相干涉。 剩余的部分光波继续传播到玻璃表面，并在此再次被部分反射和部分透射。 玻璃表面（R2）反射的光与从抗反射层反射的光相干涉（建设性和破坏性）。 抗反射层的折射率不同于玻璃和周围介质（空气），并且根据具体透镜元件中玻璃的成分精挑细选，以得到所需的折射角。 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）最终都会穿过透镜元件传输并聚焦形成图像。
尽管大多数显微镜和透镜制造商现在都用自己的专利涂层配方生产，氟化镁仍是用于制作光学抗反射薄涂层的众多材料之一。 这些抗反射措施的整体效果是，由于增加了可见光波长的传输，减少了眩光的不必要反射，并消除了可见光光谱范围之外不必要波长的干扰，因而让光学设备的图像质量得到了显著改善。
可见光的反射是光行为的一种特性，也是所有现代显微镜功能的基础。 光通常在显微镜内的一个或多个平面镜上反射，从而形成穿过透镜的光路，构成了我们在目镜中看到的虚像。 显微镜还利用了分束器，让部分光得到反射，同时将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，如特殊设计的棱镜、滤光片和透镜涂层，也在形成图像时发挥了作用，而其主要依赖于光反射这一现象。
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