Зеркальное отражение света, виды, применение

Что такое зеркальное отражение света?

"Зеркальное отражение света — это процесс, при котором световые лучи отражаются от гладкой поверхности, такой как зеркало, под углом, равным углу падения..."

Полезные статьи:

Что такое зеркало? Виды, основые свойства

Что такое линзы? Виды, описание и применение

Все статьи

Введение

Классическим типом отражения света является зеркальное отражение, от латинского слова speculum (зеркало) или, альтернативно, регулярное отражение. Такой вид отражения встречается на гладких поверхностях, например, на полированных металлических или стеклянных изделиях, включая корпуса с полным внутренним отражением, или на поверхностях жидкостей. 

Здесь угол отраженного света, измеренный относительно нормали к поверхности, равен углу для падающего света. Такая ситуация обычно обнаруживается с высокой точностью на различных типах плоских зеркал. Для изогнутых отражающих поверхностей также получается зеркальное отражение; затем углы падения и выхода измеряются относительно локального нормального направления.

Закон отражения света

Общий закон отражения (выходной угол = угол падения) связан с тем фактом, что сохраняется составляющая волнового вектора вдоль отражающей поверхности.

Виды отражения света

Если отражающая поверхность почти плоская, но не совсем плоская, выходной свет может распространяться в некотором диапазоне углов; это называется диффузным рассеянием. При существенно шероховатой поверхности, вызывающей значительное рассеяние, может существовать значительный угловой диапазон, например, шириной 10 °. В частности, объемные рассеиватели, но также и некоторые матовые краски, имеют тенденцию создавать еще более широкое угловое распределение рассеянного света, часто даже приближающееся к стандартному случаю ламбертовского рассеивателя. Это можно рассматривать как противоположность зеркальному отражению: идеально рассеивающее отражение. Также может быть комбинация зеркального и рассеянного отражения; объект с такими свойствами демонстрирует зеркальные блики (в зависимости от условий освещения) в дополнение к внешнему виду, создаваемому диффузным рассеянием.

Зеркальные отражения могут казаться намного ярче, чем рассеянные отражения, если смотреть с большого расстояния, потому что отраженный свет концентрируется в меньшем диапазоне направлений. (Это может быть проблемой в контексте лазерной безопасности. С другой стороны, зеркальные отражения остаются незамеченными для поглотителя, если отраженный свет не попадает ему в глаза.

Условие зеркального отражения

Тк. все длины волн видимого света очень малы, то чистое зеркальное отражение требует высокой степени отражаьельной способности поверхности. Поэтому любая поверхность должна быть тщательно отполированной.

Отражения на дифракционных решетках

Модифицированная форма зеркального отражения может возникать на дифракционных решетках. Здесь выходной угол может существенно отличаться от угла падения, а также зависит от оптической длины волны, но в идеальном случае диффузного отражения снова нет.

Зеркальное отражение в изображении

Зеркальные отражения могут использоваться для получения изображений – например, в отражающих телескопах. В отличие от диффузного отражения, где вводятся случайные угловые изменения, информация изображения сохраняется при зеркальном отражении. Однако рассеянные отражатели все еще могут быть полезны в качестве экранов в определенных инструментах визуализации; такой экран должен быть размещен в плоскости изображения.

Плоскости изображения

При анализе свойств изображения оптического инструмента, такого как телескоп, фотокамера или микроскоп, часто рассматривается отображение точек объекта, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси, называемой плоскостью объекта. Плоскость изображения - это плоскость, в которой появляется четкое изображение этих точек объекта, по крайней мере, в рамках гауссовой оптики. В действительности нельзя получить четкие точки изображения из-за дифракции и оптических аберраций, которые не рассматриваются в контексте гауссовой оптики. Например, фактические точки с наилучшей резкостью обычно лежат на более или менее изогнутой поверхности (кривизна поля), а не в плоскости. Таким образом, концепция плоскости изображения является лишь приближением.

Объект и плоскость изображения являются сопряженными плоскостями. Когда положение плоскости объекта изменяется (например, при продольных перемещениях объектов), местоположение плоскости изображения также изменяется; величина этого изменения может быть рассчитана с использованием продольного увеличения.

В некоторых ситуациях имеется не только объект и одна плоскость изображения, но и несколько плоскостей изображения, поскольку визуализация выполняется более чем за один шаг. Затем существует конечная плоскость изображения, где можно разместить, например, датчик изображения, и, кроме того, некоторые промежуточные плоскости изображения. В микроскопе, например, часто имеется такая промежуточная плоскость изображения непосредственно перед линзой глаза; можно считать, что окуляр отображает эту плоскость до бесконечности, а линза глаза наблюдателя может отображать ее на сетчатке.

В некоторых приборах и дополнительные элементы, такие как сетка, размещаются в промежуточной плоскости изображения. Затем это также четко отображается в конечной плоскости изображения. Это полезно, например, для измерительных микроскопов и телескопов. Однако часто избегают размещения элементов в заявках на промежуточное изображение, которые не должны отображаться. Например, может быть вредно располагать оптическую поверхность призмы или линзы в промежуточной плоскости изображения, потому что в противном случае любые царапины или частицы пыли также появятся на конечном изображении. Однако иногда помещают тамполевая линза; тогда у нее должна быть особенно чистая поверхность.

Плоскости изображения не следует путать с фокальными плоскостями. Они совпадают с таковыми только для объектов на бесконечном расстоянии.

Применение

Отражение света находит широкое применение в различных областях. Вот некоторые из них:

1. Оптика: Используется в зеркалах, линзах и других оптических приборах для создания изображений, коррекции зрения и фокусировки света.

2. Косметика: Зеркала помогают людям наносить макияж, укладывать волосы и проводить другие процедуры ухода за собой.

3. Фотография: В зеркальных фотоаппаратах отражение света используется для создания четких изображений и предварительного просмотра сцены.

4. Научные исследования: В оптических инструментах, таких как спектроскопы, отражение света помогает анализировать состав веществ.

5. Астрономия: Телескопы с зеркалами используют отражение света для наблюдения за звездами и другими небесными объектами.

6. Безопасность: Зеркала заднего вида в автомобилях и зеркала на перекрестках помогают водителям улучшить видимость и предотвратить аварии.

7. Декор: Зеркала используются в интерьере для визуального увеличения пространства и создания эстетических эффектов.

Эти применения показывают, насколько важным и универсальным является отражение света в нашей повседневной жизни и науке!