一文看懂什么是反射鏡

反射鏡是日常生活中最常見的器件，也是光學系統(tǒng)中最常用的光學元件之一。小到手機的鏡頭組光路，大到光刻機的內(nèi)部光路，都能看到反射鏡的身影。

時至今日，還忘不了人教版語文教材二年級下冊第30課的一篇課文——《愛迪生救媽媽》，故事描述的是美國著名發(fā)明家愛迪生在7歲時，用自己的智慧想出了拿鏡子聚光的辦法，成功讓醫(yī)生幫媽媽做了闌尾炎手術(shù)，挽救了媽媽的生命。當時無不感慨愛迪生的聰明才智。

后經(jīng)多方考證該故事可能為虛構(gòu)的童話故事，不過故事內(nèi)的光學知識卻是真實存在的。今天就來說一說反射鏡！

反射鏡是日常生活中最常見的器件，也是光學系統(tǒng)中最常用的光學元件之一。小到手機的鏡頭組光路，大到光刻機的內(nèi)部光路，都能看到反射鏡的身影。

反射鏡起源于公元前2000年的古埃及時期，古埃及人使用銅或黃銅經(jīng)打磨拋光后制成光滑表面的金屬反射鏡片，可以反射出人的影像。隨著科技的發(fā)展，反射鏡的材質(zhì)和制作工藝也在不斷改進，使得反射鏡的反射效果越來越優(yōu)越，使其能更好地服務(wù)于人類生活和科研。

反射鏡利用反射原理來改變光的方向、聚焦光和發(fā)散光。根據(jù)形狀的不同，反射鏡可分為平面反射鏡、球面反射鏡和非球面反射鏡三種；按照材質(zhì)不同，反射鏡可以分為金屬反射鏡、介質(zhì)膜反射鏡和復(fù)合反射鏡。這些不同類型的反射鏡在各種應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。

光學反射鏡的反射表面并不是始終一致，可能會受到環(huán)境條件的影響。因此，實際應(yīng)用時應(yīng)該全方面去進行考察，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境考慮反射鏡的耐久性和抗損傷性，以及特定波長下的反射率。本文將介紹反射鏡分類及常見應(yīng)用，方便讀者做對比參考。

1.平面反射鏡

平面反射鏡是指反射面為平面的反射鏡，稱平面反射鏡。反射面可以是前表面，也可以是后表面。

在實際的應(yīng)用時，前后表面的反射鏡各有優(yōu)劣。前表面為反射面的反射鏡具有較高的反射率，不會造成圖像的失真和重影，但是反射涂層容易受到劃傷和氧化，使用時間長后會影響反射率和成像質(zhì)量；后表面為反射面的反射鏡因為膜層在后面，所以基底材料成為了反射膜的保護層，避免了反射涂層的劃傷和氧化。但是在實際使用時，反射光線會先經(jīng)過基底材料然后才能到達反射涂層，在這個過程中入射光受基底材料的影響，造成不同的波長在不同的角度折射。另外，基底材料會發(fā)生菲涅爾反射，這會導(dǎo)致每個界面的反射損失約占4％，成像時會呈現(xiàn)鬼影。

圖5 第一表面鍍膜

圖6 第二表面鍍膜

日常生活中用的鏡子，其反射面是后表面，而用于重要技術(shù)上的反射鏡，大多數(shù)的反射面是前表面。

光學中平面反射鏡是唯一能成完善像的光學元件，它不改變光束的同心性質(zhì)，經(jīng)平面鏡反射后，發(fā)散的同心光束仍是發(fā)散的同心光束，會聚的同心光束仍是會聚的同心光束。它是光學系統(tǒng)中改變光路傳輸?shù)闹匾?，可以將長光路在有限空間內(nèi)合理分布。

圖7 反射鏡轉(zhuǎn)折光路

2.球面反射鏡

球面反射鏡是指反射面是球面的反射鏡，根據(jù)反光面的凹凸，分成凹面鏡和凸面鏡兩種。兩者的第一焦點都和第二焦點重合，凹面鏡的焦點是實的，凸面鏡的焦點是虛的。凹面鏡常用來聚光或成像，如幻燈機和放映機用它作聚光鏡，一些反射式的望遠鏡用它作物鏡。由于物在凸面鏡前任何位置，所得到的都是縮小正立的虛像，所以凸面鏡常用作汽車上的觀察鏡。

圖8 球面反射鏡

圖9 球面反射鏡的應(yīng)用

3.非球面反射鏡

非球面反射鏡有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡、錐面和柱面反射鏡等。平行光軸的光束經(jīng)拋物面鏡反射后會聚于拋物面的焦點，可在反射式天文望遠鏡中做物鏡，使遙遠的星體成像于焦點處。反之由焦點發(fā)出的光束經(jīng)拋物面鏡反射后形成平行光束，可用于做探照燈。雙曲面鏡和橢球面鏡常用于某些特殊的光學系統(tǒng)中，以簡化結(jié)構(gòu)和改進成像質(zhì)量。

圖10 非球面反射鏡

4.金屬反射鏡

金屬反射鏡是采用薄的金屬涂層得到的反射鏡，金屬涂層可由蒸鍍技術(shù)或者濺射技術(shù)制作，其在寬譜范圍內(nèi)具有較高的反射率，非常適用于寬譜光源光路偏轉(zhuǎn)。制造時為防止金屬涂層氧化和被刮蹭后影響光學性能，金屬膜反射鏡一般在其表面鍍一層二氧化硅保護膜。帶保護涂層的反射鏡比無涂層的更加耐磨，而且比介質(zhì)膜反射鏡更加靈敏。

金屬涂層需要置于基底之上，通?；诪椴ＡЩ蛘呓饘?。常見的金屬涂層包含鋁，銀和金。鋁涂層的反射鏡通常用于可見光和紫外光區(qū)域；銀涂層的反射鏡適合的波長范圍為500nm到20μm。由于銀損耗小，因此其損傷閾值大于鋁涂層；金涂層的反射鏡只能用到600nm或更長波長的情況，可以達到大于95%的反射率。在700-2000 nm波長范圍內(nèi)，如果采用有保護膜的金反射鏡可以達到平均97%的反射率。因為金不易被氧化，有時會采用無保護的金反射鏡，是為了避免保護涂層中的色散。另外，鍍金的反射鏡可用于高功率紅外激光器，如二氧化碳激光器，因為金具有很高的熱導(dǎo)率，可以承擔很高的熱效應(yīng)。

5.介質(zhì)膜反射鏡

介質(zhì)膜反射鏡是在光學元件表面鍍多層介質(zhì)膜，使得某一波段干涉疊加，從而增強反射率。介質(zhì)膜的反射率較高，可在寬波長譜區(qū)使用，膜層沒有對光的吸收，同時膜層較硬不易受損，適用于多波長激光的光學系統(tǒng)。但是該類反射鏡膜層較厚，角度敏感，成本較高。

圖12 介質(zhì)膜反射鏡反射原理

知己知彼方能百戰(zhàn)百勝。在選擇和使用反射鏡前應(yīng)該先去了解他，這樣我們才能去用好反射鏡。