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小貼士:攝影用光技巧 散射光的原理與應用

向拍攝者直射過來的大陽光被云層遮住了,但我們仍然可以看到向四周發射的“光線”。實際上,我們看到的是向四周發射的光所產生的散射光。這種散射光產生了漂亮的“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佛光普照的意境?廟中香燭所產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出一種淺藍色。這是由于組成煙霧的炭粒子線度非常小,由這些煙霧產生的散射光符合瑞利散射的條件,因此散射光中的藍光成份比紅光成份強得多。我們平時所說的“裊裊青煙?!彼凳薔褪欽庵秩鵠⑸淥南窒?。

這幾幅攝影作品,之所以產生濃濃的“氣氛”就是巧妙利用了光線的散射現象,也就是利用了“散射光”。那么,究竟什么是散射光,是如何產生的呢?

散射是一種普遍存在的光學現象。當光線通過各種渾濁介質時,有一部分光會改變原來的傳播方向,向四方分散,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散射的光。這種現象就是光的散射。

在光學中的定義,散射就是由于介質中存在的微小粒子(異質體)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象。

上圖是北京天安門廣場激光表演調試時的照片。我們之所以能看到劃破夜空,射向天空的激光束,就是因為激光在向高空發射的過程中產生了散射。本來,激光是射向天空的,如果沒有散射現象,站在地面上的我們是看不到光束的。

請看我們近距離拍攝大功率激光管工作的狀況:

測試中的是一米長的大功率氦氖激光器,應該說激光的強度非常強,但由于實驗室是潔凈環境,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,不過實驗室里是嚴禁吸煙的喔。

前面的事例說明:散射是要有散射源——渾濁介質——存在的情況下才會發生的。

請看我們近距離拍攝大功率激光管工作的狀況:

測試中的是一米長的大功率氦氖激光器,應該說激光的強度非常強,但由于實驗室是潔凈環境,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,不過實驗室里是嚴禁吸煙的喔。

前面的事例說明:散射是要有散射源——渾濁介質——存在的情況下才會發生的。

另外,即使仔細清除所有的雜質,即在非常純粹的氣體或液體中,由于分子的熱運動引起了介質密度的漲落而造成折射率不均勻,也會有散射現象發生。雖然它們的散射強度遠遠小于丁達爾散射,但這種現象還是普遍存在的。我們稱光在這種純粹物質中的散射為分子散射。

實驗證明,極微小異質體(異質體線度比入射光波長小很多)產生的散射和分子散射的散射規律與大顆粒異質體散射(丁達爾散射)不同,其散射強度是與入射光的波長有關的,即散射強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,由于藍光波長較短,其散射強度就比波長較長的紅光強,因此散射光中藍光的成份較多。

另外,即使仔細清除所有的雜質,即在非常純粹的氣體或液體中,由于分子的熱運動引起了介質密度的漲落而造成折射率不均勻,也會有散射現象發生。雖然它們的散射強度遠遠小于丁達爾散射,但這種現象還是普遍存在的。我們稱光在這種純粹物質中的散射為分子散射。

丁達爾散射和瑞利散射的規律不同,是能不能看到藍天白云的根本原因。

我們知道可見光的光波長范圍是400納米(藍紫色)到700納米(紅色)。紅光端波長是藍紫光波長的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,短波長的藍紫光散射強度接近十倍于長波長的紅光散射強度。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,主要的散射是瑞利散射,散射光中藍色成份較多。這就是我們所期望看到的藍天白云。而在一些城市里,特別是大氣污染較嚴重的大城市里,由于空氣中充滿了線度較大的懸浮塵埃粒子,此時的散射光有很大一部分是丁達爾散射產生的,呈白色。因此,天空就是白茫茫的。上圖拍攝時天氣很好,天空是蔚藍色的,但是在靠近地面的地方還是有太多的塵埃,遠不如高空那樣清澈。

白色的太陽光包含著從紅到藍紫各色的光,在太陽光經過大氣層時,會發生散射,而且主要是與光波長有關的瑞利散射。在這種散射的作用下,短波長(藍光)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的。從下圖我們可以看出早晨和黃昏時的太陽光穿過大氣層的行程比中午時長得多(一般來說要長6-10倍),被散射掉的藍光也要多得多。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看天空,白天和晚上看到的景象不同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十分明亮的太陽在黑色的背景上發出耀眼的光芒。這不是幻想,事實上宇航員從太空已經看到了這樣的現象。而且正因為地球被大氣層包圍著,宇航員從太空看地球,看到的是一個美麗的“藍色的星球”。

在散射粒子線度很小的情況下(主要發生瑞利散射),散射光是偏振光。因此我們在攝影時可以用偏振濾鏡來加強藍天白云的效果。

請看使用偏振鏡后的效果對比,上圖左側是未使用偏振鏡拍攝的效果,右側是使用偏振鏡后的效果。

由于偏振濾鏡濾去了白光中的一部分而讓全部藍色偏振散射光通過,使得天空的藍色更藍,而白云也顯得較暗些,產生了非常良好的效果。

這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,光束就會顯得很亮。反之,光束就會顯得很淡。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有藍色的天空了。

在拍攝此類照片時,散射光經常是很重要的。山中的霧氣實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,主要是丁達爾散射,散射光呈白色。

清晨的薄霧和河面上的水氣所產生的散射光使畫面有一種縹緲如仙景的感覺。霧是由許多細小的水點形成的,它能產生大量的散射光。所以在薄霧籠罩下的景物,能比較明顯地區分出前景,中景和遠景,從而表現出空間的縱深感。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,提高作品表現力。

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