光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)：光的反射、折射、衍射

光的傳播可以歸結(jié)為三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律：直線傳播定律、反射定律和折射定律。

【光的直線傳播定律】：光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播。

在非均勻介質(zhì)種光線將因折射而彎曲，這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在大氣中，比如海市蜃樓現(xiàn)象，就是由于光線在密度不均勻的大氣中折射而引起的。

【費(fèi)馬定律】：當(dāng)一束光線在真空或空氣中傳播時(shí)，由介質(zhì)1投射到與介質(zhì)2的分界面上時(shí)，在一般情況下將分解成兩束光線：反射(reflection)光線和折射(refraction)光線。

光線的反射

光線的反射取決于物體的表面性質(zhì)。

如果物體表面(反射面)是均勻的，類似鏡面一樣(稱為理想的反射面)，那么就是全反射，將遵循下列的反射定律，也稱“鏡面反射”。

入射光線、反射光線和折射光線與界面法線在同一平面里，所形成的夾角分別稱為入射角、反射角和折射角。

【反射定律】：反射角等于入射角。i = i’

對(duì)于理想的反射面而言，鏡面表面亮度取決于視點(diǎn)，觀察角度不同，表面亮度也不同。

當(dāng)反射面不均勻時(shí)，將發(fā)生漫反射。其特點(diǎn)是入射光線與反射光線不滿足反射定律。

一個(gè)理想的漫射面將入射光線在各個(gè)方向做均勻反射，其亮度與視點(diǎn)無(wú)關(guān)，是個(gè)常量。

光線的折射

一些透明/半透明物體允許光線全部/部分地穿透它們，這種光線稱為透射光線。

當(dāng)光線從一種介質(zhì)(比如空氣)以某個(gè)角度(垂直情形除外)入射到另外一種具有不同光學(xué)性質(zhì)的介質(zhì)(比如玻璃鏡片)中時(shí)，其界面方向會(huì)改變，就是會(huì)產(chǎn)生光線的折射現(xiàn)象。

光的折射是由于光在不同介質(zhì)的傳播速度不同而引起的。

光線折射滿足下列折射定律：入射角的正弦與折射角的正弦之比與兩個(gè)角度無(wú)關(guān)，僅取決于兩種不同介質(zhì)的性質(zhì)和光的波長(zhǎng)，

【折射定律】：n1 sin i = n2 sin r

任何介質(zhì)相對(duì)于真空的折射率，稱為該介質(zhì)的絕對(duì)折射率，簡(jiǎn)稱折射率(Index of refraction)。對(duì)于一般光學(xué)玻璃，可以近似地認(rèn)為以空氣的折射率來(lái)代替絕對(duì)折射率。公式中n1和n2分別表示兩種介質(zhì)的折射率。

當(dāng)n1 = -n2時(shí)，折射定律就是變成反射定律了，所以反射定律可以看成是折射定律的特例。

折射率：光在兩種介質(zhì)種的傳播速度之比，即

n2/n1 = v1/v2

一種介質(zhì)的絕對(duì)折射率為

n = c/v

式中c是真空中光的速度，v為該介質(zhì)中光的速度。

可以看出：在折射率較大的介質(zhì)中，光的速度比較低；在折射率較小的介質(zhì)中，光的速度比較高。

作為實(shí)驗(yàn)規(guī)律，上述幾何光學(xué)三定律只是在波長(zhǎng)λ很小的條件下才近似成立的。在攝影中，用幾何光學(xué)來(lái)描述已經(jīng)足夠精確了。

附錄：一些光學(xué)介質(zhì)的折射率：

光線的衍射

在光的傳播過(guò)程中，當(dāng)光線遇到障礙物時(shí)，它將偏離直線傳播，這就是所謂光的衍射。由于光的波長(zhǎng)很短，在日常生活中很難察覺(jué)出衍射現(xiàn)象。

衍射不僅使物體的幾何陰影失去清晰的輪廓，在邊緣還會(huì)出現(xiàn)一系列明暗相間的亮紋。