主题：谈谈偏振镜的原理及使用 -- 北田

此文也是以前写的,今天翻出来晒晒,就当是卖大力丸了.

各位老少爷们知道的捧个人场,不知道的捧个花场.

偏振光的基本概念

光是一种电磁波,波长在400NM到700NM之间,能被人眼看到.

既然是电磁波,就有波的特性,折射与反射.通常光波遇到表面平滑的物体(金属表面除外)如玻璃或水面就会同时发生折射与反射.反射时反射角等于入射角,折射角取决于物体的折射率,通常光学玻璃的折射率在1.4-1.9之间.当反射角随着入射角的变化而变化,同时折射角也在变化,当反射角与折射角之间成直角时,此时的反射光线就是偏振光.这就是布儒斯特定理,大学普通物理光学部分都有介绍.而当当反射角与折射角之间角度不是直角时,则反射光线为部分偏振光.

这里再简单说一下什么叫偏振光,以帮助没学过大学理工科的朋友理解.

光有波粒二相性,通常我们看到的以波动性为主,粒子性要到量子力学时才会用到.光的波动性表明它是一种横波,就是振动方向垂直与传播方向.

自然光里面光的振动方向是随机的,面对光的传播方向,你可以想象成它的振动方向就象一个闹钟一样,光沿秒针的轴向你射来,其振动就是象秒针指示的360度的任何方向.因为是随机的,所以就不会在某个特定方向上加强或减弱.而偏振光则是在某一个特定方向上振动,比如只是沿4 点和10点的方向振动,这种在单一方向上振动的光就叫线性偏振光,

除了线性偏振光外,还有圆偏振光,圆偏振光是从线性偏振光来的,但其区别在于这种偏振光不是固定在一个方向上振动,而是会旋转,就象秒针一样会360度不停地转动.比如说某一时刻振动方向是12点和6点, 下一时刻就是1点和7点,再下一时刻就到2点和8点了.

若学过数理统计,则很容易理解, 假设E为光振动方向的数学期望,O为E的方差.则

自然光;: E=0, O<>0

线性偏振光:E<>0, O<>0

圆偏振光: E=0, O=0

(注意这里说的光不是某一特定频率的光,而是从波长400NM到700NM各种不同频率的光都加在一些振动.要不就成激光了)

偏振镜是由光的偏振原理而来的,它实际上是一种光栅,当光栅方向与偏振光方向一致时,偏振光可以通过,成90度时,偏振光会完全被挡住.

偏振镜在拍摄时的运用:

在拍摄时,若我们想拍摄鱼缸里的鱼时(假设鱼缸是方的,由四块玻璃板围成的,圆的鱼缸等会再说),将相机镜头直接对准鱼缸,拍摄出来的相片上是无法看清鱼缸里面的鱼的,只有鱼缸的反光.

此时我们可以用偏振镜加到镜头前面,然后转动偏振镜,从取景器中可以看到鱼缸的反光随着偏振镜的转动而减小,当减小到一个最小值时,又会加大.这说明偏振镜挡住了从鱼缸反射的部分偏振光.当我们改变相机与鱼缸之间的夹角,就意味着入射角的改变,当反射角与折射角成为直角(布儒斯特角)时,鱼缸反射光就完全是偏振光了,此时取景器里完全看不到鱼缸的反光了.此时入射角的数值可以用由玻璃折射率的反正切函数得到(ARCTG1.4-ARCTG1.9,为54度到62度之间),相机与鱼缸之间的夹角要用90度减去这个值.

当鱼缸是圆的时候,我们可以想象圆是由无数个小的平面组成,当一个平面成布儒斯特角时其他平面却不是,所以偏振光是无法完全消除的.

对于金属来说,没有折射,所以这定理不成立,但我们可以灵活运用,将偏振镜放到灯光的前头,转动,直到取景器里看不到金属反射光为止.不过使用时注意,偏振镜不耐高温,被烤化了不负责.

说到此,加了偏振镜消了偏光光就上上大吉了吗?对咱们不靠拍摄吃饭的是这样,但对一些吹毛求疵的器材发烧友却觉得还要再花些钱才舒服.

现在的SLR大都是AF与AE,加了偏振镜是否会对这两个功能有影响?先让我们来看看AF与AE的工作原理.

简单地说AF就是靠测定补摄物体的距离来决定像距的,加了偏光镜,挡了偏振光,使镜头里的光线能量减小了,但物体的距离与角度都没有变,所以对AF来说无所谓.

再看AE.现在SLR都是TTL测光(Through The Len),测光传感器做在镜头后面的机身里面,加了偏振镜.射入镜头的光线能量减少了.但这种变化只是在某一个方向上发生,并且在这一方向上的反光我们并不需要,但若是这一方向是测光传感器的工作方向,则相机会自动作出曝光补偿,这样照片就会曝光过度,若是这一方向不是传感器的工作方向,则相机不会作任何曝光修正,得到的相片曝光也正好.

这就说明了偏光镜对AE有可能有影响.

若你感到这些可能的影响还是难以忍受,那正对厂商的胃口.为了消除这点点影响,你就得花大把的银子,反正你近千的机身都买了,几千的镜头也买了,也不在乎再花几百这点钱.既然如此,就让你花得明白些.

偏振镜的工作原理有两点,一挡住某一振动方向光, 二允许某一方向振动的光通过.现在自然光里反光被挡住了,同偏振镜振动方向相同的光还可以通过,但通过后,光只是在某一特定的方向振动,所以若是我们能够将这种特定方向上振动的偏振光,让它转起来,360度各个方向的振动都有,那么就可以欺骗相机,让相机将它当作自然光,而不作任何曝光修正了. 这就是圆偏振镜的作用.

圆偏振镜是由一块普通线性偏振镜,也加上一块1/4波长的波片组成的.这个1/4波长,通常取绿光波长的1/4,因为绿光正好处于400NM到700NM可见光波长的中间.

自然光通过线性偏振片,出来的就是特定方向的偏振光,再通过1/4的波片.1/4波片有一特点,就是光线通过之后,会产生两条相互正交的光线,其中的一条比另一条相位差90度(这正好是周期的1/4,所以叫1/4波片).其轨迹用数学方程表示就是

s1=A1*cos n

s2=A2*cos( n+90)=-A2*sin n

=>s1^2+s2^2=A1^2(cos n)^2+A2^2(sin n)^2

若A1=A2, 则其轨迹是个圆方程.但这个圆在转,就象秒针一样,360度不停地转.

若A1<>A2,则其轨迹是个椭圆方程,也在不停地转.

因为1/4波片的性质一定,所以设计时对于一定的波长, A1=A2. 就是个转动的圆了.这就是圆偏振原理.

好了现在钱也花了,道理也懂了,但花了几百块(好的圆偏振比线性偏振镜贵得多)钱买的圆偏振镜是否真的象其吹的一样好呢?

下面让我们来做个实验.

买一块圆偏振镜,再找到一个能产生偏振光的东西.找不到?那么难找,其实你手头就有,记住有液晶显示的地方就有偏振光.LCD显示器,数落相机后面的小屏幕,实在不行手表上的液晶也行,它们产生的都是偏振光.

简单说一下液晶原理:

一块发光体,通常都用日光灯.前面放上两块偏振片,但两块偏振片的偏振方向是互为直角,这样从前方你是看不到背后发出的光线的.

因为后一块出来的偏振光被前面一块给挡住了.在两块偏振片之间充入液晶,液晶有个光电特性,加电后,能使通过的光线转个90度,这样正好与前面那块偏振片的偏振方向相同. 所以在加电的地方是亮的,不加电就是黑的.

将圆偏振镜放在液晶显示器前面,将与相机接口那一面对着自己.转动,看看光线亮度是否会变化.最暗时应该完全不透光.若不是这样,那就直接扔了吧,因为你买了块普通玻璃片..

再倒过来,让接口部位向着液晶,再转动, 理想情况下,亮度不应该有明显变化.因为偏振光线过1/4波片(波片没有反正方向),应该成为全向振动的光.而偏振镜对这种全向振动的光作用应该在各个方向上作用都相同,不然也你就发现新的物理光学定理了.

但实际情况肯定不是这样,不然你就发财了.通常最亮与最暗很明显,好的圆偏振片最暗的时候只比最亮时候差一点,差的圆偏振片最暗时几乎完全看不见.

为什么花了几百块钱,买到的却未能如愿,其实不怪厂商,他们没有错,错在你的眼睛.

若你的眼睛只能看到绿光,那你就能看到最亮与最暗没有差别了.但你现在眼睛太好了,能看到从400NM(紫光)到700NM(红光),但1/4波片上的镀膜只是以绿光作为标准的,因此对于其他波长的可见光,必然不可能是圆偏振,而是椭圆偏振.椭圆的在不同方向的长宽不相同,自然光线的亮度也不同了.

好了,现在究竟是去对你的眼睛动手术,还是接受这一现实,心甘情愿地让厂商骗你钱,就由你决定了.

再重复一下,好的相片不是由相机拍摄的,而是由你的头脑和腿脚拍摄出来的. 器材不好,只要头脑好一些,腿脚勤快些自然也可以补偿的.坦白地说,什么时候你花在胶片上的钱超过了相机镜头这些器材时,你就出道了.