偏振鏡的作用!了解光線的散射光學(xué)現(xiàn)象
偏振鏡的作用是什么?偏振鏡的出色功用是能有選擇地讓某個(gè)方向振動(dòng)的光線通過，在彩色和黑白攝影中常用來消除或減弱非金屬表面的強(qiáng)反光，從而消除或減輕光斑。
我們?yōu)閿?shù)碼影象俱樂部論壇中北湖在新疆拍的PP，非物質(zhì)GG在加拿大拍的PP，以及一些從西藏等西部地區(qū)拍回來的風(fēng)景PP叫好。但是，在城市里生活的色友現(xiàn)在卻沒有那么幸運(yùn)。色友Patch在他的精華帖中這樣定義：藍(lán)天，生活在城市里的人的一種夢想，偶爾實(shí)現(xiàn)一回。這是為什么呢?在本帖中我想談?wù)劰鈱W(xué)中的另一個(gè)基本現(xiàn)象：散射。希望通過討論對大家的攝影實(shí)踐有所幫助。
散射是一種普遍存在的光學(xué)現(xiàn)象。在光通過各種渾濁介質(zhì)時(shí)，有一部分光會(huì)向四方散射，沿原來的入射或折射方向傳播的光束減弱了，即使不迎著入射光束的方向，人們也能夠清楚地看到這些介質(zhì)散射的光。這種現(xiàn)象就是光的散射。在光學(xué)中的定義，散射就是由于介質(zhì)中存在的微小粒子(異質(zhì)體)或者分子對光的作用，使光束偏離原來的傳播方向而向四周傳播的現(xiàn)象。
散射是要有散射源存在的情況下才會(huì)發(fā)生的。這是一張激光器測試臺(tái)的照片。被測試的是一米長的大功率氦氖激光器。由于實(shí)驗(yàn)室是潔凈環(huán)境，散射光非常弱，我們完全看不到出射的激光束。如果要想看到激光束，就得在光束穿過的位置噴煙，不過實(shí)驗(yàn)室里是嚴(yán)禁吸煙的喔。
渾濁介質(zhì)有多種不同的形式，主要是以下幾種：
1.氣體中混有固體微粒，即大氣中有煙，灰塵;
2.氣體中混有微小液滴，就象霧;
3.液體中混有固體微粒，稱為懸濁液;
4.液體中混有另一種液體的微小液滴，稱為乳劑。
當(dāng)光通過這些介質(zhì)時(shí)都會(huì)發(fā)生散射。我們平時(shí)說，光是直線傳播的(這里不考慮光的衍射)，但是實(shí)際上光波只有在真空或均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，才有確定的傳播方向。
如果介質(zhì)不均勻，即有異質(zhì)體存在，就會(huì)有散射現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這里的關(guān)鍵是折射率的不同，如果兩種物質(zhì)的折射率相同，把它們混在一起時(shí)就和只有一種介質(zhì)一樣，并沒有散射光。渾濁介質(zhì)中的異質(zhì)體的線度要比光的波長大時(shí)，散射作用是很強(qiáng)的，這種散射也稱丁達(dá)爾散射或者丁達(dá)爾效應(yīng)。丁達(dá)爾散射的強(qiáng)度是與光波波長無關(guān)的，因此，當(dāng)入射光是白光時(shí)，我們看到的散射光也是白光。
另外，即使仔細(xì)清除所有的雜質(zhì)，即在非常純粹的氣體或液體中，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)引起了介質(zhì)密度的漲落而造成折射率不均勻，也會(huì)有散射現(xiàn)象發(fā)生。雖然它們的散射強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于丁達(dá)爾散射，但這種現(xiàn)象還是普遍存在的。我們稱光在這種純粹物質(zhì)中的散射為分子散射。
實(shí)驗(yàn)證明，極微小異質(zhì)體(異質(zhì)體線度比入射光波長小很多)產(chǎn)生的散射和分子散射的散射規(guī)律與大顆粒異質(zhì)體散射(丁達(dá)爾散射)不同，其散射強(qiáng)度是與入射光的波長有關(guān)的，即散射強(qiáng)度與光波波長的四次方成反比，這就是瑞利散射定律。這類散射也稱為瑞利散射。瑞利散射時(shí)，由于藍(lán)光波長較短，其散射強(qiáng)度就比波長較長的紅光強(qiáng)，因此散射光中藍(lán)光的成份較多。
我們知道可見光的光波長范圍是400納米(藍(lán)紫色)到700納米(紅色)。紅光端波長是藍(lán)紫光波長的1.75倍。其四次方大約是9.38倍。也就是說，在可見光的范圍內(nèi)，短波長的藍(lán)紫光散射強(qiáng)度接近十倍于長波長的紅光散射強(qiáng)度。在攝影中就是要超過三檔曝光量(三檔曝光量是8倍)。
在空氣條件好的情況下，即空氣比較潔凈，懸浮塵埃較少時(shí)，主要的散射是瑞利散射，散射光中藍(lán)色成份較多。這就是我們所期望看到的藍(lán)天白云。而在一些城市里，特別是大氣污染較嚴(yán)重的大城市里，由于空氣中充滿了線度較大的懸浮塵埃粒子，此時(shí)的散射光有很大一部分是丁達(dá)爾散射產(chǎn)生的，呈白色。因此，天空就是白茫茫的。下圖拍攝時(shí)天氣很好，天空是蔚藍(lán)色的，但是在靠近地面的地方還是有太多的塵埃，遠(yuǎn)不如高空那樣清澈。
白色的太陽光包含著從紅到藍(lán)紫各色的光，在太陽光經(jīng)過大氣層時(shí)，會(huì)發(fā)生散射，而且主要是與光波長有關(guān)的瑞利散射。在這種散射的作用下，短波長(藍(lán)光)的成份被散射掉了，透射的光中長波長(紅光)的成份就較多。透射光中的紅光成份比例是與光線穿過大氣層的行程長短有關(guān)的。從下圖我們可以看出早晨和黃昏時(shí)的太陽光穿過大氣層的行程比中午時(shí)長得多(一般來說要長6-10倍)，被散射掉的藍(lán)光也要多得多。因此，早晚的太陽看上去就是偏紅色的。
另外，我們在生活在地球上，有白天和晚上之分的原因也是大氣層的散射。如果沒有散射，我們在白天看到的天空將與晚上一樣，滿天星斗在黑色的背景上閃爍，唯一不同的是有一個(gè)十分明亮的太陽在黑色的背景上發(fā)出耀眼的光芒。
這不是幻想，事實(shí)上宇航員從太空已經(jīng)看到了這樣的現(xiàn)象。而且正因?yàn)榈厍虮淮髿鈱影鼑?，宇航員從太空看地球，看到的是一個(gè)美麗的“藍(lán)色的星球”。
在散射粒子線度很小的情況下(主要發(fā)生瑞利散射)，散射光是偏振光。因此我們在攝影時(shí)可以用偏振濾鏡來加強(qiáng)藍(lán)天白云的效果。
為了方便比較，我把原來的兩張PP剪貼成一張。左半邊是沒有加偏振濾鏡的，右半邊是加上偏振濾鏡的。由于偏振濾鏡濾去了白光中的一部分而讓全部藍(lán)色偏振散射光通過，使得天空的藍(lán)色更藍(lán)，而白云也顯得較暗些，產(chǎn)生了非常良好的效果。
下面是上海一幢有名的大樓照片。大樓屋頂像蓮花座，每天晚上樓頂上的幾束強(qiáng)光刺破夜空，也算是外灘的一景。我們能看到這幾道光束，就是散射的作用。如果城市上空的空氣不干凈，懸浮塵埃越多，散射就越強(qiáng)，光束就會(huì)顯得很亮。反之，光束就會(huì)顯得很淡。如果晚上我們基本上看不到這幾道光束了，也許白天我們的城市就會(huì)有藍(lán)色的天空了。呵呵!
在拍攝此類照片時(shí)，散射光經(jīng)常是很重要的。山中的霧氣實(shí)際上是懸浮在空氣中的小液滴，是一種很理想的散射源。由于液滴的尺寸比光波波長大得多，主要是丁達(dá)爾散射，散射光呈白色。
清晨的薄霧和河面上的水氣所產(chǎn)生的散射光使畫面有一種縹緲如仙景的感覺。霧是由許多細(xì)小的水點(diǎn)形成的，它能產(chǎn)生大量的散射光。所以在薄霧籠罩下的景物，能比較明顯地區(qū)分出前景，中景和遠(yuǎn)景，從而表現(xiàn)出空間的縱深感。此外，薄霧還能掩蓋雜亂無章的背景，有利于突出畫面中的主要形象，提高作品表現(xiàn)力。
向拍攝者直射過來的大陽光被云層遮住了，但我們?nèi)匀豢梢钥吹较蛩闹馨l(fā)射的光線。實(shí)際上，我們看到的是向四周發(fā)射的光所產(chǎn)生的散射光。這種散射光產(chǎn)生了漂亮的光芒四射視覺效果。
拍攝者巧妙地用樹葉擋住了相當(dāng)部分的直射向鏡頭的太陽光，而射向四周的陽光在散射的作用下營造出一種特別的氣氛，是不是作者有意要表達(dá)佛光普照的意境?廟中香燭所產(chǎn)生煙霧提供了最好的散射源，使得散射光在畫面上十分突出。
請注意畫面上的香火形成的煙霧呈現(xiàn)出一種淺藍(lán)色。這是由于組成煙霧的炭粒子線度非常小，由這些煙霧產(chǎn)生的散射光符合瑞利散射的條件，因此散射光中的藍(lán)光成份比紅光成份強(qiáng)得多。我們平時(shí)所說的裊裊青煙。說是就是這種瑞利散射所產(chǎn)生的現(xiàn)象。
最后，再順便說一下，上面所說的丁達(dá)爾散射和瑞利散射都是彈性散射。彈性散射的散射光頻率與入射光頻率一樣，或者說散射后光的顏色不變。另外還有一種非彈性散射，如布里淵散射和拉曼散射。非彈性散射的散射光頻率是與入射光不一樣的，也就是說發(fā)生了頻移。這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們應(yīng)該討論的范圍了，就此一筆帶過。