有一種光學(xué)元件，最精密的光學(xué)儀器中有它的身影，而咱們?cè)绯科饋?lái)刷牙的時(shí)候，往往也會(huì)一眼看到，它就是鏡子。鏡子的工作原理基于光的反射定律。當(dāng)光線(xiàn)從一個(gè)介質(zhì)射向另一個(gè)介質(zhì)表面時(shí)，如果表面足夠平滑，光線(xiàn)就會(huì)以相同的角度反射出去，形成所謂的“鏡面反射”。我們?cè)缍剂?xí)慣了鏡中的自己，也被一個(gè)問(wèn)題困擾，那就是為什么鏡子能顛倒左右，卻不能顛倒上下？

在網(wǎng)絡(luò)上，這個(gè)話(huà)題引起了 200 多萬(wàn)的關(guān)注。

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為什么鏡子里的你左右反，上下不反？

關(guān)于鏡子，這個(gè)問(wèn)題既有趣又常見(jiàn)，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(shí)，鏡子成像既不是左右對(duì)稱(chēng)也不是上下對(duì)稱(chēng)。

出現(xiàn)這種問(wèn)題的原因是人往往以自己為參照物，而忽視了鏡子。準(zhǔn)確地說(shuō)鏡子通過(guò)平面反射光線(xiàn)，使得物體的像在鏡面后方對(duì)稱(chēng)出現(xiàn)。這種對(duì)稱(chēng)是沿著鏡面的垂直軸（即前后方向）進(jìn)行的，因此物體的前后位置被反轉(zhuǎn)，而左右和上下位置相對(duì)于鏡面保持不變。

圖 3：鏡面對(duì)稱(chēng)坐標(biāo)參考[3]

這么說(shuō)可能還不夠清楚，如果照鏡子的時(shí)候換個(gè)指示方向的方式，就一目了然了。假設(shè)我們站住不動(dòng)，面對(duì)鏡子的時(shí)候面朝北，鏡面朝南，那么當(dāng)我們動(dòng)一動(dòng)?xùn)|邊那只手，鏡中人動(dòng)的一定也是東邊那只手，反之亦然。但當(dāng)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(huì)指向南，所以說(shuō)，照鏡子時(shí)其實(shí)是“里外反”。

換句話(huà)說(shuō)就是鏡子反轉(zhuǎn)的是物體相對(duì)于鏡面的前后方向，而非左右或上下。由于人類(lèi)身體的左右對(duì)稱(chēng)性和觀察視角的影響，我們感知為左右反轉(zhuǎn)，而上下方向因與鏡面垂直，未發(fā)生反轉(zhuǎn)。

多來(lái)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(guò)調(diào)整入射光（即光源）和鏡子之間的位置關(guān)系，從而精確地引導(dǎo)光線(xiàn)到達(dá)所需的位置。

首先就是小學(xué)科學(xué)課上都會(huì)制作的潛望鏡，只要用兩塊互相平行的鏡子，就能越過(guò)墻頭觀察對(duì)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(gè)有趣的現(xiàn)象，如果你去照偶鏡，調(diào)整自己的位置，讓鏡子的接縫處恰好位于鏡中你面部的中線(xiàn)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這時(shí)照鏡子的體驗(yàn)大不相同，當(dāng)你舉起右手，鏡中人也會(huì)舉起右手，當(dāng)你閉上左眼，鏡中人也會(huì)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(huì)出現(xiàn)眩目反光。這是因?yàn)榕肩R經(jīng)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(gè)角反射器，它由三對(duì)偶鏡組成，無(wú)論從何角度投射光線(xiàn)，經(jīng)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(chē)尾燈就由眾多角反射器組成，不過(guò)實(shí)際尾燈角鏡之間并非嚴(yán)格垂直，這樣能有部分反射光散開(kāi)，便于司機(jī)看見(jiàn)。

圖 5：自行車(chē)上的反射器丨責(zé)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(guó)阿波羅 11 號(hào)登月成功，人類(lèi)第一次踏上了月球的表面，登月宇航員帶了一個(gè)激光后向反射器陣列，并將其放置在月面預(yù)定位置上，成功測(cè)得當(dāng)時(shí)地球與月球的距離為 383911.218 公里，角反射器不愧是測(cè)距的理想“鏡子”！

圖 6：Apollo11 反射器陣列丨圖源：wiki

在攝影領(lǐng)域中還有就一個(gè)巧妙利用反射鏡的攝影設(shè)備——單反相機(jī)（單鏡頭反光相機(jī))。其獨(dú)特之處在于其取景器的設(shè)計(jì)。其鏡頭兼作取景物鏡，在攝影鏡頭與數(shù)碼相機(jī)的感光元件之間，有一反光鏡與光學(xué)主軸成 45° 角。影像通過(guò)反光鏡，從而顯示在機(jī)身上方的調(diào)焦屏上，通過(guò)取景目鏡和五棱鏡，拍攝者可以觀察取景對(duì)象，因而取景無(wú)視差，且較明亮。拍攝時(shí)，反光鏡抬起（下圖中的②），光線(xiàn)才能到達(dá)感光元件。

圖 7：反射鏡在單反相機(jī)中的應(yīng)用丨圖源：wiki

高級(jí)的鏡子是啥樣？

咱們?nèi)粘＜矣玫溺R子，其鍍膜層是位于鏡子后方的。當(dāng)你湊近仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致的一種現(xiàn)象。鏡子的反光效果好不好，取決于入射光（即光源）的波長(zhǎng)和鍍層的表面光潔度。

在特定場(chǎng)景下，比如激光應(yīng)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(wú)雙影，能還原物體本貌。而普通鏡子反射率低、無(wú)波長(zhǎng)選擇性，還會(huì)產(chǎn)生雙重陰影，使圖像質(zhì)量變差。

在精密設(shè)備領(lǐng)域，這種雙重陰影和低反射率是絕對(duì)不被允許的，因?yàn)槟呐聵O其微小的圖像偏差都可能導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行異常，甚至引發(fā)嚴(yán)重后果。在光學(xué)系統(tǒng)中常使用通過(guò)特殊鍍膜工藝的鍍膜鏡，能夠有效提高對(duì)特定波長(zhǎng)光的反射率，得到的圖像不僅亮度高，而且精確準(zhǔn)確，畫(huà)質(zhì)更清晰，色彩更逼真。

鏡子，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的光學(xué)元件，實(shí)則蘊(yùn)含著豐富的光學(xué)原理和制作工藝。從日常生活中的整理儀容到高端光學(xué)系統(tǒng)中的精密應(yīng)用，鏡子都發(fā)揮著不可替代的作用。

參考文獻(xiàn)

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[3]Why Do Mirrors Flip Left & Right (but not up & down)?

https://www.youtube.com/watch?v=1t4dOPxKgrY

[4]中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所-光學(xué)科普?qǐng)@地[EB/OL]. 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所, (2018-12-18).

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[7]月亮距離我們有多遠(yuǎn)？科學(xué)家告訴你到月球要幾步[EB/OL]. 新

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https://tech.sina.com.cn/d/s/2018-02-02/doc-ifyrcsrw7752744.shtml.

策劃制作

作者丨林昊 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 研究生

審核丨張譯心 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 科普業(yè)務(wù)主管

策劃丨丁崝

責(zé)編丨丁崝

審校丨徐來(lái)、林林