古代铜镜背后的技术原理——透光镜
透光镜是中国古人制作的具有特殊光影效果的铜镜。它是什么样子的？有什么神奇之处？蕴含了哪些光学和力学原理呢？
-西汉时期的“黑科技”-
“穿衣戴帽，临镜观影”，中国古人使用镜子的历史可以追溯到4000多年前。发明炼铜技术之后，聪明的古人便开始铸造铜镜，利用平滑光洁的金属表面来映照自己的形象。
铜镜由两面组成，镜面被打磨得十分光亮；背面，出于托物寄情与美观需求，装饰有各种花纹或铭文（器物、碑碣等表面的文字）。其繁复的造型与精湛的做工，丝毫不亚于现代人所使用的玻璃镜，体现出中国古代工匠高超的冶金工艺与雕刻技巧。
西汉时期（公元前202年—8年），有一类神奇的铜镜——透光镜，只要迎着日光或者其他光源，与镜面相对的墙壁上就会映出铜镜背面的花纹或铭文，光源仿佛穿透了镜体。
北宋科学家沈括曾在《梦溪笔谈》中提出：
清代学者郑复光在《镜镜詅（líng）痴》一书中除了支持沈括的说法之外，还强调：
1 知识拓展世界古代铜镜
世界古代铜镜大致分为东、西方两大体系。西方体系以古埃及、古希腊、古罗马以及西亚等国的圆板具柄镜为代表。东方铜镜体系以中国圆形具钮铜镜为代表，尽管在不同时期，中国铜镜曾出现过方形镜、花形镜、有柄镜，但圆形具钮铜镜一直是铜镜的重要形式，直到唐宋时期才出现带柄铜镜。
中国古代铜镜曾广泛流传到周围地区，西亚、中亚、西伯利亚、蒙古国、朝鲜半岛、越南等地都发现过中国铜镜。特别是日本，自弥生时代（公元前300—250年）以来，大量从中国输入铜镜，将其视为神器或宝物，并在本地仿制。
与其他青铜器相比，铜镜的锡含量较高，更容易让镜面光亮。战国以后，铜镜合金大致有两种类型：一种是含铅的高锡青铜，主要制于战国至汉、唐，成分约为铜66%~72%，锡20%~26%，铅4%~8%；另一种是含锡的铅青铜或锡黄铜，主要制于宋至明清，含铅、锌达20%以上，锡含量则降至6%~13%。
一般来说，制镜合金以前者为佳。因为当锡含量达到20%或稍高时，铜锡合金颜色亮白，硬度较高，研磨过后不会留下明显痕迹。含有少量铅，可增加耐磨性。
第二种合金则更软，不易抛光，颜色褐黄。宋镜纹饰不如汉唐精致，与此有关。不过从另一方面讲，这种合金也有其可取之处，质软便有不易碎裂的优点。
-“铸造”一面透光镜-
透光镜是用铜、锡等合金铸造而成的，按理说光线根本无法穿过。那么，透光镜的奥秘究竟是什么呢？
要铸造出一面透光镜，有几个关键要素。
第一，透光镜在造型上要具有凸面、薄体、宽边的特征，而且纹饰还要满足同心圆分布的结构，这样才能产生显著的环向铸造残余应力（如图所示）。汉代以后的铜镜纹饰复杂，镜体变得大而平，失去了相应的结构，也就无法透光。
第二，在浇铸过程中，由于透光镜镜体较薄，冷却得快；镜缘较厚，冷却得慢，镜缘逐渐收缩时，镜体已经凝固，有一定硬度，这样镜缘对镜体产生一种紧箍作用，而镜体对镜缘有了反方向的支撑作用。铜镜内部产生的这种相互作用力，就是铸造残余应力，它使镜体在原来上凸镜面基础上进一步向上拱起。
第三，在打磨过程中，透光镜的镜体变薄、硬度降低，但有纹饰的地方较厚、较硬，不易变形，没有纹饰的地方较薄，变形较大，从而使铸造残余应力得到释放，令镜体产生细微形变——薄的地方拱起较多，厚的地方拱起较少，形成了镜面的凹凸不平，这种形变肉眼很难看到。
当光源照射镜面时，有纹饰的地方凸起较小，比较平坦，反射光集中，反射到墙上的光明亮；无纹饰的地方凸起较多，反射光分散，反射到墙上的光比较暗。于是，墙上便呈现出与镜子背面完全相同的图案，感觉就像是光透过镜子，把背面图案投射到了墙上。
中国古人制造的透光镜，是世界青铜发展史中绚丽的一页，是中国古代科技的瑰宝。通过它，我们看到中国古人博大卓绝的智慧与审慎求索的精神在闪耀着光辉！
1 知识拓展镜面反射和漫反射
光的反射是指光从一种介质射到另一种介质表面时，有部分光返回原介质中传播的现象，分为镜面反射和漫反射两种。
镜面反射是指平行光线射到光滑表面上时，反射光线也是平行的。例如，阳光照射到玻璃幕墙就是镜面反射。
漫反射是指平行光线射到凹凸不平的表面上时，反射光线射向各个方向。例如，电影屏幕就是漫反射。
编辑：黄飞
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原文标题：铜镜PLUS——透光镜
文章出处：【微信号：bdtdsj，微信公众号：中科院半导体所】欢迎添加关注！文章转载请注明出处。
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