光学基础知识 - 光的反射、折射、衍射

光的反射、折射、衍射

作者：Xitek

光的传播可以归结为三个实验定律：直线传播定律、反射定律和折射定律。

【光的直线传播定律】：光在均匀介质中沿直线传播。

在非均匀介质种光线将因折射而弯曲，这种现象经常发生在大气中，比如海市蜃楼现象，就是由于光线在密度不均匀的大气中折射而引起的。

【费马定律】：当一束光线在真空或空气中传播时，由介质1投射到与介质2的分界面上时，在一般情况下将分解成两束光线：反射(reflection)光线和折射(refraction)光线。

光线的反射

光线的反射取决于物体的表面性质。如果物体表面(反射面)是均匀的，类似镜面一样(称为理想的反射面)，那么就是全反射，将遵循下列的反射定律，也称“镜面反射”。

入射光线、反射光线和折射光线与界面法线在同一平面里，所形成的夹角分别称为入射角、反射角和折射角。

【反射定律】：反射角等于入射角。i = i'

对于理想的反射面而言，镜面表面亮度取决于视点，观察角度不同，表面亮度也不同。

当反射面不均匀时，将发生漫反射。其特点是入射光线与反射光线不满足反射定律。

一个理想的漫射面将入射光线在各个方向做均匀反射，其亮度与视点无关，是个常量。

光线的折射

一些透明/半透明物体允许光线全部/部分地穿透它们，这种光线称为透射光线。

当光线从一种介质(比如空气)以某个角度(垂直情形除外)入射到另外一种具有不同光学性质的介质(比如玻璃镜片)中时，其界面方向会改变，就是会产生光线的折射现象。

光的折射是由于光在不同介质的传播速度不同而引起的。

光线折射满足下列折射定律：入射角的正弦与折射角的正弦之比与两个角度无关，仅取决于两种不同介质的性质和光的波长。

【折射定律】：n1 sin i = n2 sin r

任何介质相对于真空的折射率，称为该介质的绝对折射率，简称折射率(Index of refraction)。对于一般光学玻璃，可以近似地认为以空气的折射率来代替绝对折射率。公式中n1和n2分别表示两种介质的折射率。

当n1 = -n2时，折射定律就是变成反射定律了，所以反射定律可以看成是折射定律的特例。

折射率：光在两种介质种的传播速度之比，即

n2/n1 = v1/v2

一种介质的绝对折射率为

n = c/v

式中c是真空中光的速度，v为该介质中光的速度。

可以看出：在折射率较大的介质中，光的速度比较低；在折射率较小的介质中，光的速度比较高。

作为实验规律，上述几何光学三定律只是在波长λ很小的条件下才近似成立的。在摄影中，用几何光学来描述已经足够精确了。

附录：一些光学介质的折射率：

在光的传播过程中，当光线遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这就是所谓光的衍射。由于光的波长很短，在日常生活中很难察觉出衍射现象。

衍射不仅使物体的几何阴影失去清晰的轮廓，在边缘还会出现一系列明暗相间的亮纹。