全內反射

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在物理學中，全內反射被認為是與光線相關的完全反射。反射光線需要特定的介質，例如玻璃或水。光線從周圍表面反射回介質。當入射角較大時，會形成一個特定的臨界角。這個臨界角稱為臨界角。閃閃發光的鑽石和海市蜃樓是全內反射的現例項子。

什麼是全內反射？

當光線從光密介質傳播到光疏介質時，就會發生全內反射。這些介質的密度是根據光學視角來識別的。

圖 1：全內反射

當光線從介質 1 傳播到介質 2 時，密度發生變化，結果光線發生折射。這裡認為介質 1 的密度比另一個介質大。這裡可以看到折射光線比正常情況彎曲得更多。在特定的入射角下，入射光的折射角與表面的角度一致。這個特定角度稱為臨界角（Zhu、Walsh 和 Semperlotti，2018）。如果折射角的值大於 90 度，則折射角會返回到介質中，這種現象就是全內反射。

全內反射的條件

全內反射（TIR）發生的兩個最重要的條件。第一個條件是確保光線從光密介質傳播到光疏介質（Goodling 等人，2019）。第二個條件是確保入射角的值大於臨界角的值。這兩個條件都必須滿足才能使 TIR 正確發揮作用。例如，如果光線從空氣傳播到水中，則不會發生 TIR，因為在這種情況下，光線是從光疏介質傳播到光密介質。

TIR 的公式

TIR 的值是使用一個重要的公式提取的。基於斯涅耳定律，這個方程得到了發展。

$\mathrm{\frac{n_1}{n_2} = \frac{sinr}{sini}}$

在上面給出的 TIR 公式中，r 表示折射角。入射角的值用 i 表示。反射光線的選定介質 1 的折射率用 n₁ 表示。光線傳播到的介質 2 的折射率用 n₂ 表示。臨界角的值在這個方程中用符號 θ 表示。臨界角的值是使用以下公式提取的 -

TIR 的例子

TIR 的第一個例子可以透過觀察魚或駕駛員的眼睛以及視覺顯示方法來呈現。例如，當魚向上看時，它可以看到天空。

在觀察較大角度的情況下，魚可以在水面上看到池底的反射（Villanueva 等人，2018）。

在此期間，魚向上看天空，然後找到池底反射的垂直臨界角等於臨界角 θ。因此，臨界角的值可以透過以下公式計算，“θ_c = sin^-1 (1.00/1.33)”。這個方程的結果是 48.80。在這個公式中，水的折射率表示為 1.33，而空氣的折射率幾乎為 1。

圖 2：魚眼視角

第二個例子，可以提到在重要的介面處發生的內反射。當在特定介面處發生 TIR 時，該介面充當完美的反射器（Tinnemann 等人，2019）。

在雙筒望遠鏡的機制中，也使用了此過程。在雙筒望遠鏡中，使用 45⁰ 的冕玻璃稜鏡代替鏡子。這有助於反射雙筒望遠鏡中的光線（Usik 等人，2019）。稜鏡兩側的所有角度都是 45⁰。這個角度大於冕玻璃的臨界角值，即 41⁰。

圖 3：雙筒望遠鏡中稜鏡的排列

TIR 的應用

在幾乎所有光纖領域，都廣泛使用全內反射。在電信系統中，使用 TIR。在汽車雨水感測器的建立和開發中，使用了這種現象（Sun 等人，2018）。在建立擋風玻璃雨刷時，也發現了 TIR 的廣泛使用。TIR 的另一個重要應用是在製備光學指紋識別裝置中。

結論

TIR 使光能夠在玻璃纖維內傳輸。通常發現光線從纖維側面反射，並始終遵循一條路徑。在某些時候，藉助玻璃纖維，光可以繞過拐角傳輸。由於纖維的彎曲不尖銳，因此發現光以大於臨界角的角度照射。

常見問題

Q1. 當臨界角和入射角的值相等時會發生什麼？

在某個時候，臨界角和入射角的值相等。結果，發現折射角為 90 度。

Q2. 鑽石反射的原因是什麼？

反射、色散和折射這三件事是鑽石閃耀的原因。當光線照射到鑽石表面並反射回來時，就會發生反射。

Q3. 誰首先提出了 TIR 的概念？

德國數學家約翰內斯·開普勒首先提出了 TIR 的概念。之後，Willebrord 是另一位在該領域做出不可忽視貢獻的人。

Q4. TIR 最重要的條件是什麼？

光必須從光疏介質傳播到比第一個介質更光密的介質。在 TIR 的任何時候都需要遵循此條件。