光竟然也有屬于自己的節(jié)日喲！2025 年的 5 月 16 日已經(jīng)是第十個(gè)國(guó)際光日啦！
1960 年，美國(guó)休斯研究實(shí)驗(yàn)室有位超厲害的物理學(xué)家梅曼，他制造出了第一臺(tái)紅寶石激光器，從而開(kāi)啟了激光時(shí)代。
為了紀(jì)念這個(gè)了不起的時(shí)刻，在 2015 年，聯(lián)合國(guó)教科文組織大手一揮，把每年的 5 月 16 日定為“國(guó)際光日”（International Day of Light）。
由于從你的眼睛到手機(jī)屏幕，從巨大的天文望遠(yuǎn)鏡到激光雕刻機(jī)，光學(xué)涉及的東西實(shí)在是太多太多，今天咱們只重點(diǎn)聊聊大家最熟悉的“鏡子”。
一塊鏡子的奧妙
唐太宗李世民說(shuō)過(guò)：“以銅為鏡，可以正衣冠”；《木蘭辭》中則有“當(dāng)窗理云鬢，對(duì)鏡貼花黃”，都生動(dòng)地描繪了人們與鏡子之間的日常聯(lián)系。
這面我們?nèi)粘Ｊ褂玫溺R子，在專業(yè)上被稱為“平面反射鏡”，堪稱光學(xué)領(lǐng)域中最簡(jiǎn)單的器件之一，常常出現(xiàn)在光學(xué)入門(mén)課程的前幾頁(yè)。
圖 1：平面反射鏡成像[1]
回溯人類使用鏡子的歷史，可謂源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。
在遠(yuǎn)古時(shí)期，人們最初借助天然形成的平靜水面來(lái)映照自己的模樣，舊石器時(shí)代的人類若想一睹自己的容顏，往往需要前往池水邊，對(duì)著那如鏡面般平靜的水面細(xì)細(xì)端詳，這便是人類最早使用的“鏡子”。
后來(lái)，以青銅為材質(zhì)打造的青銅鏡，成為了主流。隨著時(shí)間推移，人類對(duì)鏡子的制作技術(shù)不斷探索。
15 世紀(jì)迎來(lái)了平面鏡發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑——意大利威尼斯的工匠們發(fā)明了鍍錫玻璃鏡。
他們?cè)诓ＡП趁婢耐扛擦艘粚咏饘倌ぁ＿@層金屬膜憑借自身對(duì)光的反射特性，讓光線能夠高效地反射回來(lái)。
這一創(chuàng)新不僅大幅提升了鏡子的成像質(zhì)量，還為后續(xù)制鏡工藝的革新奠定了基礎(chǔ)，發(fā)展成為現(xiàn)世的鍍銀鏡和鍍鋁鏡等金屬鍍膜鏡子。
鏡子的工作原理基于光的反射定律。當(dāng)光線從一個(gè)介質(zhì)射向另一個(gè)介質(zhì)表面時(shí)，如果表面足夠平滑，光線就會(huì)以相同的角度反射出去，形成所謂的“鏡面反射”。
左右反，上下不反？
關(guān)于鏡子，有個(gè)問(wèn)題既有趣又常見(jiàn)，那就是“為什么鏡子里的你左右是相反的，上下卻不是相反的？”。
圖 2：平面反射鏡的成像方式[2]其實(shí)，鏡子成像既不是左右對(duì)稱也不是上下對(duì)稱。
出現(xiàn)這種問(wèn)題的原因是人往往以自己為參照物，而忽視了鏡子。準(zhǔn)確的說(shuō)鏡子通過(guò)平面反射光線，使得物體的像在鏡面后方對(duì)稱出現(xiàn)。
這種對(duì)稱是沿著鏡面的垂直軸（即前后方向）進(jìn)行的，因此物體的前后位置被反轉(zhuǎn)，而左右和上下位置相對(duì)于鏡面保持不變。
圖 3：鏡面對(duì)稱坐標(biāo)參考[3]
這么說(shuō)可能還不夠清楚，如果照鏡子的時(shí)候換個(gè)指示方向的方式，就一目了然了。
假設(shè)我們站住不動(dòng)，面對(duì)鏡子的時(shí)候面朝北，鏡面朝南，那么當(dāng)我們動(dòng)一動(dòng)?xùn)|邊那只手，鏡中人動(dòng)的一定也是東邊那只手，反之亦然。
但當(dāng)我們伸出手指指向北面（也就是我們眼前鏡子的方向），鏡中的你則一定會(huì)指向南，所以說(shuō)，照鏡子時(shí)其實(shí)是“里外反”。
換句話說(shuō)就是鏡子反轉(zhuǎn)的是物體相對(duì)于鏡面的前后方向，而非左右或上下。
由于人類身體的左右對(duì)稱性和觀察視角的影響，我們感知為左右反轉(zhuǎn)，而上下方向因與鏡面垂直，未發(fā)生反轉(zhuǎn)。
多來(lái)幾塊鏡子可以干什么？
我們知道光的反射定律，那么我們就可以用多塊鏡子，通過(guò)調(diào)整入射光（即光源）和鏡子之間的位置關(guān)系，從而精確地引導(dǎo)光線到達(dá)所需的位置。
首先就是小學(xué)科學(xué)課上都會(huì)制作的潛望鏡，只要用兩塊互相平行的鏡子，就能越過(guò)墻頭觀察對(duì)面情況了。
而如果我們把用兩塊平面鏡垂直粘合固定，組成的鏡子就叫偶鏡。
偶鏡有一個(gè)有趣的現(xiàn)象，如果你去照偶鏡，調(diào)整自己的位置，讓鏡子的接縫處恰好位于鏡中你面部的中線，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這時(shí)照鏡子的體驗(yàn)大不相同，當(dāng)你舉起右手，鏡中人也會(huì)舉起右手，當(dāng)你閉上左眼，鏡中人也會(huì)閉上左眼。
此外，如果你用手電筒緊貼面頰將光射向 90° 偶鏡，會(huì)出現(xiàn)眩目反光。
這是因?yàn)榕肩R經(jīng)兩次反射的光與入射光平行，反射光直射入眼所致。
圖 4：偶鏡原理丨圖源：作者繪制
若在偶鏡上再加一面鏡子使三面鏡垂直，就成為一個(gè)角反射器，它由三對(duì)偶鏡組成，無(wú)論從何角度投射光線，經(jīng)二、三次反射的光都與入射光平行。
角反射器用途廣泛，像自行車尾燈就由眾多角反射器組成，不過(guò)實(shí)際尾燈角鏡之間并非嚴(yán)格垂直，這樣能有部分反射光散開(kāi)，便于司機(jī)看見(jiàn)。
圖 5：自行車上的反射器丨責(zé)編拍攝制圖
更神奇的是，月球上也有人造角反射器。
1969 年 7 月 21 日，美國(guó)阿波羅 11 號(hào)登月成功，人類第一次踏上了月球的表面，登月宇航員帶了一個(gè)激光后向反射器陣列，并將其放置在月面預(yù)定位置上，成功測(cè)得當(dāng)時(shí)地球與月球的距離為 383911.218 公里，角反射器不愧是測(cè)距的理想“鏡子”！
圖 6：Apollo11 反射器陣列丨圖源：wiki
在攝影領(lǐng)域中還有就一個(gè)巧妙利用反射鏡的攝影設(shè)備——單反相機(jī)（單鏡頭反光相機(jī))。
其獨(dú)特之處在于其取景器的設(shè)計(jì)。其鏡頭兼作取景物鏡，在攝影鏡頭與數(shù)碼相機(jī)的感光元件之間，有一反光鏡與光學(xué)主軸成 45° 角。
影像通過(guò)反光鏡，從而顯示在機(jī)身上方的調(diào)焦屏上，通過(guò)取景目鏡和五棱鏡，拍攝者可以觀察取景對(duì)象，因而取景無(wú)視差，且較明亮。拍攝時(shí)，反光鏡抬起（下圖中的②），光線才能到達(dá)感光元件。
圖 7：反射鏡在單反相機(jī)中的應(yīng)用丨圖源：wiki
高級(jí)的鏡子是啥樣？
咱們?nèi)粘＜矣玫溺R子，其鍍膜層是位于鏡子后方的。當(dāng)你湊近仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)鏡中影像存在輕微重影，這是普通家用鏡子鍍膜及反射特性所導(dǎo)致的一種現(xiàn)象。
鏡子的反光效果好不好，取決于入射光（即光源）的波長(zhǎng)和鍍層的表面光潔度。
在特定場(chǎng)景下，比如激光應(yīng)用中，使用高反射率反射器可使激光輸出功率成倍增加，第一反光板反射圖像不失真、無(wú)雙影，能還原物體本貌。
而普通鏡子反射率低、無(wú)波長(zhǎng)選擇性，還會(huì)產(chǎn)生雙重陰影，使圖像質(zhì)量變差。
在精密設(shè)備領(lǐng)域，這種雙重陰影和低反射率是絕對(duì)不被允許的，因?yàn)槟呐聵O其微小的圖像偏差都可能導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行異常，甚至引發(fā)嚴(yán)重后果。
在光學(xué)系統(tǒng)中常使用通過(guò)特殊鍍膜工藝的鍍膜鏡，能夠有效提高對(duì)特定波長(zhǎng)光的反射率，得到的圖像不僅亮度高，而且精確準(zhǔn)確，畫(huà)質(zhì)更清晰，色彩更逼真。
鏡子，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的光學(xué)元件，實(shí)則蘊(yùn)含著豐富的光學(xué)原理和制作工藝。
從日常生活中的整理儀容到高端光學(xué)系統(tǒng)中的精密應(yīng)用，鏡子都發(fā)揮著不可替代的作用。
參考文獻(xiàn)
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[2]光學(xué)“魔術(shù)”：鏡子與消失術(shù)！[EB/OL]. Light科普坊, (2023-09-17). https://mp.weixin.qq.com/s/aBPZgJiGtEqrNcRU3fxiaw.
[3]Why Do Mirrors Flip Left & Right (but not up & down)?
https://www.youtube.com/watch?v=1t4dOPxKgrY
[4]中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所-光學(xué)科普?qǐng)@地[EB/OL]. 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所, (2018-12-18).
https://opt.cas.cn/kpyd/kpwz/201812/t20181218_5217790.html
[5]Makoto Otsubo, “Aerial imaging principle and its commercialization and future developments,” Proceedings of the International Display Workshops, Vol. 28: 227-230, 2021
[6]焦述銘. 角反射器：讓光線“掉頭”[EB/OL]. 網(wǎng)易號(hào), (2024-06-30).
https://www.163.com/dy/article/J5U94HLO0511C4OP.html
[7]月亮距離我們有多遠(yuǎn)？科學(xué)家告訴你到月球要幾步[EB/OL]. 新
浪科技, (2018-02-02).
https://tech.sina.com.cn/d/s/2018-02-02/doc-ifyrcsrw7752744.shtml.
策劃制作
作者丨林昊 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 研究生
審核丨張譯心 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 科普業(yè)務(wù)主管
策劃丨丁崝
責(zé)編丨丁崝
審校丨徐來(lái)、林林
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