郵箱登陸
立即登陸

讓大海變得五彩斑斕的光學魔法

2020-06-12 分享

  作者:看風景的蝸牛君 

    

   “大海是什么顏色?”幾乎所有人都會回答“藍色”。的確,除了偶爾會被天邊倒映的朝霞或晚霞染上一抹火紅,在天氣晴朗的情況下,我們看到的大海都是蔚藍的。 

  那么是否有什么神奇的“魔法”,可以讓大海不再呈現藍色,變得如下圖五彩斑斕呢? 

  

  圖片來自網絡 

  很多人看到這幅照片的第一反應是,“一定是PS的”。但實際上,這并不是依靠電腦特效才能制作出的“假照片”,而是可以實實在在拍攝到的自然現象。不少網友在乘坐飛機的過程中,也都曾經拍攝到類似的壯麗景象,如下圖。 

  

  圖片來自網絡 

    

    

  其實這并不是什么電腦特技,而是有著堅實物理學原理支撐,這就是蝸牛君今天為大家介紹的“光學魔法”——偏振成像。 

    

  1. 揭秘偏振成像 

  我們都知道,光是一種波。通常我們所說的“波”其實可以分為兩類,其中一類是“縱波”,指的是局部物質振蕩方向與傳播方向平行的波,例如我們熟悉的聲波。 

    

  

 圖片來自網絡 

    

  而光波屬于另外一類,“橫波”。用手揮動繩子時,產生的“繩波”就是典型的橫波。橫波傳播過程中,物質(例如繩波中的質點或光波中的電場等)局部振蕩方向與傳播方向相互垂直,這個特殊的振蕩方向,就是橫波的“偏振”方向。 

  

 

  橫波的偏振方向可以通過“檢偏器”檢測出來,例如對于繩波來說,我們可以制作下圖所示的“狹縫”來檢測偏振方向。當“檢偏器”方向(即狹縫方向)與繩波偏振方向一致時,繩波可以很順利的通過;但“檢偏器”方向與繩波方向相互垂直時,繩波無法通過。光學上也有類似的“檢偏器”,叫做“偏振鏡”,可以讓特定偏振方向的光波通過,只是原理會復雜一些,但效果上與檢測繩波振動方向的狹縫是一樣的。 

    

  

 

  我們在電影院看3D電影時,工作人員會給我們一副“大墨鏡”,其實就是偏振鏡。左右兩片鏡片允許通過的光的偏振方向恰好相互垂直,如此一來,左右眼就可以分別看到不同的圖像,產生強烈的立體感了。 

  

圖片來自網絡 

    

    

  2. 并不神秘的海面光反射 

  日常人眼看到的光,如太陽光,各個方向上偏振的光強基本一致,沒有明顯的偏振方向,我們稱為“自然光”。水面對太陽光的反射有一定的偏振選擇性,某些偏振方向反射的多,某些偏振方向反射的少,廣袤海面反射的太陽光就會成為部分偏振光[注釋1]。為了方便大家理解,我們可以將各個偏振方向按照光強畫成不同長度的箭頭,原本的“自然光”各個偏振方向光強相等,可以表示為“圓形”;反射的部分偏振光中有些方向光強較強,有些方向光強較弱,可以表示為“橢圓形”,就如下圖所示。 

  

 

    

  對于水面反射的部分偏振光,當“檢偏器”方向與反射率更高的偏振方向一致時(例如上圖中反射光橢圓的那個“長軸”方向),反射光能夠最大限度地通過,反之則會被最大程度削減。例如在風光攝影中,為了能夠減少水面反射光的干擾、更清晰地拍攝水底,攝影師往往會攜帶一塊“偏振鏡”,故意把方向旋轉到反射的部分偏振光的“短軸”方向,奇跡般地過濾掉水面的反射光。 

  

 圖片來自網絡 

    

  更有意思的是,由于海水存在一定的色散(折射率在不同波長有差異),即便是在占主導的偏振方向上,不同波長光的反射率也會存在一定差異,反射率最高的那個波長會成為“主波長”(Dominant Wavelength)。隨著入射光角度i的變化,主波長也會發生偏移。上世紀六十年代,就有學者以地中海為例,研究了20℃情況下反射光主波長隨著入射角變化曲線[注釋2] 

  

 圖片來自網絡 

  使用配備偏振鏡的相機進行拍攝時,如果反其道而行之,旋轉調整偏振鏡方向,能夠最大程度削減其他光線,讓水面的反射光最大程度進入攝影系統(將偏振鏡方向旋轉至橢圓“長軸”方向)。從上面的曲線圖可以看出,反射光中的主波長會隨著入射角度的變化而變化,不同主波長則對應著不同的顏色。廣袤海面上呈現夢幻般五彩斑斕景象,就是這個原理。 

  

圖片來自網絡 

  3.偏振成像用處大 

  偏振成像是一種光學中常用的技術手段,用來探測普通相機難以察覺的物理現象。 

  例如在遙感技術中,由于不同植物葉片、不同礦物等會呈現不同的偏振特性,因此可以通過偏振遙感技術對植物種類、長勢進行大規模調查,也可以進行輔助礦物勘探等。  

  天文學中偏振成像也非常重要,例如太陽大氣的測量。太陽大氣會在磁場作用下產生光譜分裂,其譜線偏振態就與磁場強度直接相關,因此可以利用偏振成像技術對太陽大氣進行高精度實時磁場測量。中科院光電技術研究所最近剛剛研制成功的我國首套2米級太陽望遠鏡,就在利用這項技術進行重要研究工作。 

  再比如很多透明材料——如玻璃、塑料等——在冷卻成型過程中會產生應力,一些特定位置則會出現較強的應力積累,這也將會是材料最脆弱的地方。但由于材料本身是透明的,所以難以直接觀察。而應力會改變材料的偏振特性,因此通過偏振成像能夠方便地觀察器件的應力分布,如下圖中彩色條紋變化越劇烈的位置,代表應力積累越嚴重。 

  

  圖片來自網絡 

    

  再舉個例子來直觀說明一下偏振成像的威力吧。生活中我們偶爾會聽到石油泄漏的新聞,新聞的配圖往往是大片大片黑乎乎的石油浮在水面上,這給我們造成了一種錯覺,似乎石油浮在水面上是非常容易發現的事情。實際上,這是泄漏非常嚴重才會出現的情景,當石油管道或儲油罐剛開始發生泄漏時,只會在水面上漂浮薄薄的一層油膜,僅憑借視覺觀察是很難發現的。但由于油和水反射光的偏振特性相去甚遠,因此有了偏振成像技術,哪怕只是薄薄的油層,也能夠很快發現。下圖就是一個演示實驗[注釋3],比較厚的油層(左側)在普通觀察下就很顯眼,而右側較薄的油層幾乎看不到;但無論油層是厚是薄,在偏振相機中,都顯示為明顯的黑色。 

  

  圖片來自網絡 

    

  4.送你5個小tips,把大海拍的五彩斑斕 

  水面反射產生的部分偏振光中,雖然存在反射率最高的“主波長”,但其反射率比其他波長高不了多少,只是一種非常微弱的占優效應,這點優勢很容易被環境中其他光線掩蓋。所以即使主波長隨角度變化是客觀存在的物理現象,但觀察到這種現象也并不容易。要想拍攝到五彩斑斕海面,捕捉這種物理現象,需要具備如下的幾大要素: 

  首先,天氣晴朗。晴朗天氣下太陽光線充足,而且基本可以視作平行光。 

  第二,要對盡量大的范圍進行拍攝。如果是小范圍水面,那么水面輕微波動等環境影響會遠遠大于反射光中主波長的影響。而對大范圍海面拍攝時,則會呈現相對平均化的結果,減少其他因素干擾。從飛機上進行拍攝,就是個不錯的選擇。 

  第三,拍攝時太陽高度要在25°-60°之間,最好位于30°-55°之間。 

  第四,為相機配備偏振鏡。 

  第五,運氣要足夠好。就算萬事俱備,但海面突然起了奇怪的風,掀起了白色浪花,或是目標拍攝位置突然飄來了大塊云朵,那就前功盡棄了。 

    

  注釋 

  1. 此過程可以通過菲涅爾方程進行嚴格定量計算。 

  2. Pandolfo J. Polarization of sunlight reflected from the sea surface[J]. Journal of Geophysical Research, 1962, 67(11): 4303-4307. 

  3. Chenault D B, Vaden J, Mitchell D, et al. New IR polarimeter for improved detection of oil on water[J]. SPIE Newsroom, 2018. 

微信

彩88app