光竟然也有屬於自己的節日喲！2025 年的 5 月 16 日已經是第十個國際光日啦！
1960 年，美國休斯研究實驗室有位超厲害的物理學家梅曼，他制造出了第一台紅寶石激光器，從而開啟了激光時代。為了紀念這個了不起的時刻，在 2015 年，聯合國教科文組織大手一揮，把每年的 5 月 16 日定為“國際光日”（International Day of Light）。
由於從你的眼睛到手機屏幕，從巨大的天文望遠鏡到激光雕刻機，光學涉及的東西實在是太多太多，今天咱們只重點聊聊大家最熟悉的“鏡子”。
一塊鏡子的奧妙
唐太宗李世民說過：“以銅為鏡，可以正衣冠”；《木蘭辭》中則有“當窗理雲鬢，對鏡貼花黃”，都生動地描繪了人們與鏡子之間的日常聯系。這面我們日常使用的鏡子，在專業上被稱為“平面反射鏡”，堪稱光學領域中最簡單的器件之一，常常出現在光學入門課程的前幾頁。
圖 1：平面反射鏡成像[1]
回溯人類使用鏡子的歷史，可謂源遠流長。在遠古時期，人們最初借助天然形成的平靜水面來映照自己的模樣，舊石器時代的人類若想一睹自己的容顏，往往需要前往池水邊，對着那如鏡面般平靜的水面細細端詳，這便是人類最早使用的“鏡子”。後來，以青銅為材質打造的青銅鏡，成為了主流。
隨着時間推移，人類對鏡子的制作技術不斷探索。15 世紀迎來了平面鏡發展史上的一個重要里程碑——意大利威尼斯的工匠們發明了鍍錫玻璃鏡。他們在玻璃背面精心塗覆了一層金屬膜。這層金屬膜憑借自身對光的反射特性，讓光線能夠高效地反射回來。這一創新不僅大幅提升了鏡子的成像質量，還為後續制鏡工藝的革新奠定了基礎，發展成為現世的鍍銀鏡和鍍鋁鏡等金屬鍍膜鏡子。
鏡子的工作原理基於光的反射定律。當光線從一個介質射向另一個介質表面時，如果表面足夠平滑，光線就會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？
關於鏡子，有個問題既有趣又常見，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，鏡子成像既不是左右對稱也不是上下對稱。
出現這種問題的原因是人往往以自己為參照物，而忽視了鏡子。准確的說鏡子通過平面反射光線，使得物體的像在鏡面後方對稱出現。這種對稱是沿着鏡面的垂直軸（即前後方向）進行的，因此物體的前後位置被反轉，而左右和上下位置相對於鏡面保持不變。
圖 3：鏡面對稱坐標參考[3]
這么說可能還不夠清楚，如果照鏡子的時候換個指示方向的方式，就一目了然了。假設我們站住不動，面對鏡子的時候面朝北，鏡面朝南，那么當我們動一動東邊那只手，鏡中人動的一定也是東邊那只手，反之亦然。但當我們伸出手指指向北面（也就是我們眼前鏡子的方向），鏡中的你則一定會指向南，所以說，照鏡子時其實是“里外反”。
換句話說就是鏡子反轉的是物體相對於鏡面的前後方向，而非左右或上下。由於人類身體的左右對稱性和觀察視角的影響，我們感知為左右反轉，而上下方向因與鏡面垂直，未發生反轉。
多來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，通過調整入射光（即光源）和鏡子之間的位置關系，從而精確地引導光線到達所需的位置。
首先就是小學科學課上都會制作的潛望鏡，只要用兩塊互相平行的鏡子，就能越過牆頭觀察對面情況了。
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。偶鏡有一個有趣的現象，如果你去照偶鏡，調整自己的位置，讓鏡子的接縫處恰好位於鏡中你面部的中線，你就會發現這時照鏡子的體驗大不相同，當你舉起右手，鏡中人也會舉起右手，當你閉上左眼，鏡中人也會閉上左眼。
此外，如果你用手電筒緊貼面頰將光射向 90° 偶鏡，會出現眩目反光。這是因為偶鏡經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，就成為一個角反射器，它由三對偶鏡組成，無論從何角度投射光線，經二、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，不過實際尾燈角鏡之間並非嚴格垂直，這樣能有部分反射光散開，便於司機看見。
圖 5：自行車上的反射器丨責編拍攝制圖
更神奇的是，月球上也有人造角反射器。1969 年 7 月 21 日，美國阿波羅 11 號登月成功，人類第一次踏上了月球的表面，登月宇航員帶了一個激光後向反射器陣列，並將其放置在月面預定位置上，成功測得當時地球與月球的距離為 383911.218 公里，角反射器不愧是測距的理想“鏡子”！
圖 6：Apollo11 反射器陣列丨圖源：wiki
在攝影領域中還有就一個巧妙利用反射鏡的攝影設備——單反相機（單鏡頭反光相機)。其獨特之處在於其取景器的設計。其鏡頭兼作取景物鏡，在攝影鏡頭與數碼相機的感光元件之間，有一反光鏡與光學主軸成 45° 角。影像通過反光鏡，從而顯示在機身上方的調焦屏上，通過取景目鏡和五棱鏡，拍攝者可以觀察取景對象，因而取景無視差，且較明亮。拍攝時，反光鏡抬起（下圖中的②），光線才能到達感光元件。
圖 7：反射鏡在單反相機中的應用丨圖源：wiki
高級的鏡子是啥樣？
咱們日常家用的鏡子，其鍍膜層是位於鏡子後方的。當你湊近仔細觀察，會發現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致的一種現象。鏡子的反光效果好不好，取決於入射光（即光源）的波長和鍍層的表面光潔度。
在特定場景下，比如激光應用中，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、無雙影，能還原物體本貌。而普通鏡子反射率低、無波長選擇性，還會產生雙重陰影，使圖像質量變差。
在精密設備領域，這種雙重陰影和低反射率是絕對不被允許的，因為哪怕極其微小的圖像偏差都可能導致設備運行異常，甚至引發嚴重後果。在光學系統中常使用通過特殊鍍膜工藝的鍍膜鏡，能夠有效提高對特定波長光的反射率，得到的圖像不僅亮度高，而且精確准確，畫質更清晰，色彩更逼真。
鏡子，這個看似簡單的光學元件，實則蘊含着豐富的光學原理和制作工藝。從日常生活中的整理儀容到高端光學系統中的精密應用，鏡子都發揮着不可替代的作用。
參考文獻
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[3]Why Do Mirrors Flip Left & Right (but not up & down)?
https://www.youtube.com/watch?v=1t4dOPxKgrY
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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 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 研究生
審核丨張譯心 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 科普業務主管
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