从身边的现象看光学原理
文/韩柏光
编辑手记
自然光是一种非常优质的，高效的光源形式。且相对于人工光源，它能够给人带来更为舒适的视觉及心理感受。在上一篇《自然界的光--来源篇》中，我们提到了所有能主动发出光的“光源”。那么，在设计过程中，我们该如何来利用这些光源来为我们的设计锦上添花呢？
闻名遐迩的德克萨斯州金贝尔艺术博物馆就是巧用了自然光的绝佳例子。为了将光导入室内，展厅的清水混凝土顶棚采用了天窗采光装置的设计，自然光通过顶棚中央狭长的缝隙进入室内，在不锈钢冲孔板反射罩内进行多次反射和折射。
图注：在照明设计中，顶部天花通过玻璃顶引入自然光，而夜晚则在每个立面隔断侧壁安装上照灯具，洗亮半透的顶部，二次反射的光再透过日景间亦存在的膜结构，重现日景间自然天光的舒适感受。
那么问题来了：在介绍金贝尔博物馆时都会提到的反射是个啥玩意儿？对自然光的利用竟有如此重要的作用……
所以，在学习如何利用自然光之前，我们还是先来了解各种反射、折射原因形成的光现象吧……
光的反射
月亮表面反射太阳光到达地球，对于地球生物来说，月亮是影响夜晚的最大的光的来源。
图：满月现象
夜空中，一部分的星星是反射恒星的光芒让自己得到显示的，其中面积较大，形状独特，最令生物界感到惊奇的便是彗星。哈雷彗星是最著名的短周期彗星，每隔76年就能从地球上看见，哈雷彗星是唯一能用裸眼从地球看见的短周期彗星，也是人一生中唯一可能看见两次的彗星。
图：哈雷彗星扫过夜空
有些动物在晚上活动时，其眼睛经常是呈荧光的颜色。例如猫的眼睛放绿光，牛的眼睛放蓝光，狼的眼睛放黄绿光。
动物的眼睛并不是简单地反射了夜晚中极其微弱的可见光，而是反射了充满在夜空中人眼看不见的红外线，并且在反射红外线时令其发生蓝移，变成了可见光，所以才有在看不见入射光、人们却能看见动物的眼睛反射光的情况。一部分射入的光线反射回视网膜，于是，视网膜就相当于接受了双重的照射，大大提高了动物的夜视能力。
图：夜晚发光的猫眼
水，在各种尺度上对光作用，产生了缤纷复杂的视觉效果，高空有细小的水珠和水雾，地面有水平如镜，有水面粼粼，有水拍岸，有浪打浪，水面膜层等等，具体形态更是数不胜数。
光的镜面反射最典型的是无风情况下的水面的倒影。
图：水面镜面反射现象
在水面有物体掉落的情况下容易产生各个方向的涟漪，使水反射面形成多个不连续的反射面。
图：涟漪现象
太阳光照射在水面上，水面由于风力的作用，会存在变化的曲面，曲面将光线反射到附近的山体，树冠上常常形成网状的线条。
图：水面反射的阳光
光的折射
发热的地面上的光的密度低，较高位置光的密度高，往往可以发生复杂的折射现象。
海市蜃楼是这种现象的典型例子，是地球上物体反射的光经大气折射而形成的虚像。 海市蜃楼简称蜃景，根据物理学原理，海市蜃楼是由于不同的空气层有不同的密度，而光在不同的密度的空气中又有着不同的折射率。也就是因海面上冷空气与高空中暖空气之间的密度不同，对光线折射而产生的。
图：大气密度差产生的折射
图：多日同辉现象
俗称日晕也叫圆虹，是一种大气光学现象，是日光通过卷层云时，受到冰晶的折射和反射而形成。当光线射入卷层云中的冰晶后，经过两次折射，分散成不同方向的各色光。有卷层云时，天空中会飘浮着无数冰晶，在太阳周围同一圈上的冰晶，都能将同一种颜色的光折射到人的眼睛里形成内红外紫的晕环，这些光环、光点和光弧统称为晕。
由于表面张力，露珠一般近似球形。阳光会在坠露内折射并使某一个范围的视角亮度增加，看起来变亮了，显得晶莹剔透。
图：晶莹的露珠
水面的波纹向浅斜的岸边不断涌过去，岸上的水则不断向下，这中间形成的激荡的形状会产生特有的曲面，将光线折射和汇聚到水底。
图：水拍岸形成的折射
阳光穿透较浅的海面或表面快速激荡的水面照射到水底会形成斑驳的光影，由于水面的曲面较细碎和快速，水面反射的阳光会变得更加复杂。
图：海面对阳光的折射
清晨，在茂密的树林中，常常可以看到从枝叶间透过的一道道光柱，这种自然界现象属于丁达尔现象。这是因为云、雾、烟尘也是胶体，只是这些胶体的分散剂是空气，分散质是微小的尘埃或液滴。
图：阳光穿透早晨有雾气的树林
光的遮挡
变化无方的大气成分产生了多种形状的云，云层厚度高时变成了乌云，大比例低吸收了太阳光。另外，大气中的灰尘颗粒也能够吸收太阳光让天空变得灰暗。
图：乌云密布
太空中的遮挡物可能造成光线的切割。月球运行到地球和太阳的中间能造成“日食”。对应地，地球运行到太阳和月球的中间则能够造成“月食”。
图：日食的成因
图：日全食和月全食现象图解
较高的遮挡物如山体、石头植物等对太阳光的切割，是最常见的光现象。下雨和下雪，落叶等视觉现象也都可以理解为在视角方向上故障物对光的切割。
图：光线和视野的遮挡
阳光穿过树冠照射到地面上，由于云层对阳光的散射，以及风对于树冠的摇动作用，树影会显得摇曳和斑驳。在无云和树木较矮的条件下容易形成清晰的影子，反之形成模糊的影子。
图：斑驳的树影
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韩柏光
广州朗文光电技术总监
朗文全球设计支持中心首席设计师
华人照明设计师协会CLDA专业会员
IALD国际照明设计师协会Affiliate会员
云知光学堂专业作者
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