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大海是什么(彩虹色的大海你见过吗)

日期:2022-11-03 17:58来源于:未知人气:+

大海是什么(彩虹色的大海你见过吗)

“大海是什么颜色?”几乎所有人都会回答“蓝色”。的确,除了偶尔会被天边倒映的朝霞或晚霞染上一抹火红,在天气晴朗的情况下,我们看到的大海都是蔚蓝的。

那么是否有什么神奇的“魔法”,可以让大海不再呈现蓝色,变得如下图五彩斑斓呢?

(图片来自网络)

很多人看到这幅照片的第一反应是,“一定是PS的”。但实际上,这并不是依靠电脑特效才能制作出的“假照片”,而是实实在在拍摄到的自然现象。不少网友在乘坐飞机的过程中,也都曾经拍摄到类似的壮丽景象,如下图。

(图片来自网络)

其实这并不是什么电脑特技,而是有着坚实物理学原理支撑,这就是小编今天为大家介绍的“光学魔法”——偏振成像。

揭秘偏振成像

我们都知道,可以把光看成一种“波”。我们所说的“波”通常可以分为两类,一类是“纵波”,指的是局部物质振荡方向与传播方向平行的波,例如我们熟悉的声波。

(图片来自网络)

而光波属于另外一类,“横波”。用手挥动绳子时,产生的“绳波”就是典型的横波。横波传播过程中,物质(例如绳波中的质点或光波中的电场等)局部振荡方向与传播方向相互垂直,这个特殊的振荡方向,就是横波的“偏振”方向。

(图片为自制)

横波的偏振方向可以通过“检偏器”检测出来,例如对于绳波来说,我们可以制作下图所示的“狭缝”来检测偏振方向。当“检偏器”方向(即狭缝方向)与绳波偏振方向一致时,绳波可以很顺利的通过;但“检偏器”方向与绳波方向相互垂直时,绳波无法通过。光学上也有类似的“检偏器”,叫做“偏振镜”,可以让特定偏振方向的光波通过,只是原理会复杂一些,但效果上与检测绳波振动方向的狭缝是一样的。

(图片为自制)

我们在电影院看3D电影时,工作人员会给我们一副“大墨镜”,其实就是偏振镜。左右两片镜片允许通过的光的偏振方向恰好相互垂直,如此一来,左右眼就可以分别看到不同的图像,产生强烈的立体感了。

(图片来自网络)

并不神秘的海面光反射

日常人眼看到的光,如太阳光,各个方向上偏振的光强基本一致,没有明显的偏振方向,我们称为“自然光”。水面对太阳光的反射有一定的偏振选择性,某些偏振方向反射的多,某些偏振方向反射的少,广袤海面反射的太阳光就会成为部分偏振光(此过程可以通过菲涅尔方程进行严格定量计算)。为了方便大家理解,我们可以将各个偏振方向按照光强画成不同长度的箭头,原本的“自然光”各个偏振方向光强相等,可以表示为“圆形”;反射的部分偏振光中有些方向光强较强,有些方向光强较弱,可以表示为“椭圆形”,就如下图所示。

(图片为自制)

对于水面反射的部分偏振光,当“检偏器”方向与反射率更高的偏振方向一致时(例如上图中反射光椭圆的那个“长轴”方向),反射光能够最大限度地通过,反之则会被最大程度削减。例如在风光摄影中,为了能够减少水面反射光的干扰、更清晰地拍摄水底,摄影师往往会携带一块“偏振镜”,故意把方向旋转到反射的部分偏振光的“短轴”方向,奇迹般地过滤掉水面的反射光。

(图片来自网络)

更有意思的是,由于海水存在一定的色散(折射率在不同波长有差异),即便是在占主导的偏振方向上,不同波长光的反射率也会存在一定差异,反射率最高的那个波长会成为“主波长”(Dominant Wavelength)。随着入射光角度i的变化,主波长也会发生偏移。上世纪六十年代,就有学者以地中海为例,研究了20℃情况下反射光主波长随着入射角变化曲线。

(图片来自网络)

使用配备偏振镜的相机进行拍摄时,如果反其道而行之,旋转调整偏振镜方向,能够最大程度削减其他光线,让水面的反射光最大程度进入摄影系统(将偏振镜方向旋转至椭圆“长轴”方向)。从上面的曲线图可以看出,反射光中的主波长会随着入射角度的变化而变化,不同主波长则对应着不同的颜色。广袤海面上呈现梦幻般五彩斑斓景象,就是这个原理。

(图片来自网络)

偏振成像用处大

偏振成像是一种光学中常用的技术手段,用来探测普通相机难以察觉的物理现象。

例如在遥感技术中,由于不同植物叶片、不同矿物等会呈现不同的偏振特性,因此可以通过偏振遥感技术对植物种类、长势进行大规模调查,也可以进行辅助矿物勘探等。

天文学中偏振成像也非常重要,例如太阳大气的测量。太阳大气会在磁场作用下产生光谱分裂,其谱线偏振态就与磁场强度直接相关,因此可以利用偏振成像技术对太阳大气进行高精度实时磁场测量。中科院光电技术研究所最近刚刚研制成功的我国首套2米级太阳望远镜,就在利用这项技术进行重要研究工作。

再比如很多透明材料——如玻璃、塑料等——在冷却成型过程中会产生应力,一些特定位置则会出现较强的应力积累,这也将会是材料最脆弱的地方。但由于材料本身是透明的,所以难以直接观察。而应力会改变材料的偏振特性,因此通过偏振成像能够方便地观察器件的应力分布,如下图中彩色条纹变化越剧烈的位置,代表应力积累越严重。

(图片来自网络)

再举个例子来直观说明一下偏振成像的威力吧。生活中我们偶尔会听到石油泄漏的新闻,新闻的配图往往是大片大片黑乎乎的石油浮在水面上,这给我们造成了一种错觉,似乎石油浮在水面上是非常容易发现的事情。实际上,这是泄漏非常严重才会出现的情景,当石油管道或储油罐刚开始发生泄漏时,只会在水面上漂浮薄薄的一层油膜,仅凭借视觉观察是很难发现的。但由于油和水反射光的偏振特性相去甚远,因此有了偏振成像技术,哪怕只是薄薄的油层,也能够很快发现。下图就是一个演示实验[注释3],比较厚的油层(左侧)在普通观察下就很显眼,而右侧较薄的油层几乎看不到;但无论油层是厚是薄,在偏振相机中,都显示为明显的黑色。

(图片来自网络)

送你5个小tips,把大海拍的五彩斑斓

水面反射产生的部分偏振光中,虽然存在反射率最高的“主波长”,但其反射率比其他波长高不了多少,只是一种非常微弱的占优效应,这点优势很容易被环境中其他光线掩盖。所以即使主波长随角度变化是客观存在的物理现象,但观察到这种现象也并不容易。要想拍摄到五彩斑斓海面,捕捉这种物理现象,需要具备如下的几大要素:

首先,天气晴朗。晴朗天气下太阳光线充足,而且基本可以视作平行光。

第二,要对尽量大的范围进行拍摄。如果是小范围水面,那么水面轻微波动等环境影响会远远大于反射光中主波长的影响。而对大范围海面拍摄时,则会呈现相对平均化的结果,减少其他因素干扰。从飞机上进行拍摄,就是个不错的选择。

第三,拍摄时太阳高度要在25°-60°之间,最好位于30°-55°之间。

第四,为相机配备偏振镜。

第五,运气要足够好。就算万事俱备,但海面突然起了奇怪的风,掀起了白色浪花,或是目标拍摄位置突然飘来了大块云朵,那就前功尽弃了。

参考文献:

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

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

原标题:让大海变得五彩斑斓的“光学魔法”丨流光E彩

来源:中国科学院光电技术研究所,转载自中科院之声公众号

编辑:Kun

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