光學基礎知識：光的反射、折射、衍射

光的傳播可以歸結為三個實驗定律：直線傳播定律、反射定律和折射定律。

【光的直線傳播定律】：光在均勻介質中沿直線傳播。

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

【費馬定律】：當一束光線在真空或空氣中傳播時，由介質1投射到與介質2的分界面上時，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。

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’

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

當反射面不均勻時，將發生漫反射。其特點是入射光線與反射光線不滿足反射定律。

一個理想的漫射面將入射光線在各個方向做均勻反射，其亮度與視點無關，是個常量。

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。

當光線從一種介質(比如空氣)以某個角度(垂直情形除外)入射到另外一種具有不同光學性質的介質(比如玻璃鏡片)中時，其界面方向會改變，就是會產生光線的折射現象。

光的折射是由于光在不同介質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角度無關，僅取決于兩種不同介質的性質和光的波長，

【折射定律】：n1 sin i = n2 sin r

任何介質相對于真空的折射率，稱為該介質的絕對折射率，簡稱折射率(Index of refraction)。對于一般光學玻璃，可以近似地認為以空氣的折射率來代替絕對折射率。公式中n1和n2分別表示兩種介質的折射率。

當n1 = -n2時，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：光在兩種介質種的傳播速度之比，即

n2/n1 = v1/v2

一種介質的絕對折射率為

n = c/v

式中c是真空中光的速度，v為該介質中光的速度。

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

作為實驗規律，上述幾何光學三定律只是在波長λ很小的條件下才近似成立的。在攝影中，用幾何光學來描述已經足夠精確了。

附錄：一些光學介質的折射率：

光線的衍射

在光的傳播過程中，當光線遇到障礙物時，它將偏離直線傳播，這就是所謂光的衍射。由于光的波長很短，在日常生活中很難察覺出衍射現象。

衍射不僅使物體的幾何陰影失去清晰的輪廓，在邊緣還會出現一系列明暗相間的亮紋。