攝影中散射光的原理與應用

攝影中散射光的原理與應用

　　向拍攝者直射過(guò)來(lái)的大陽(yáng)光被云層遮住了，但我們仍然可以看到向四周發(fā)射的“光線(xiàn)”。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(jué)效果。

　　拍攝者巧妙地用樹(shù)葉擋住了相當部分的直射向鏡頭的太陽(yáng)光，而射向四周的陽(yáng)光在散射的作用下?tīng)I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(chǎn)生煙霧提供了最好的散射源，使得散射光在畫(huà)面上十分突出。

　　請注意畫(huà)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(xiàn)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，因此散射光中的藍光成份比紅光成份強得多。我們平時(shí)所說(shuō)的“裊裊青煙�！闭f(shuō)是就是這種瑞利散射所產(chǎn)生的現象。

　　這幾幅攝影作品，之所以產(chǎn)生濃濃的“氣氛”就是巧妙利用了光線(xiàn)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(chǎn)生的呢？

　　散射是一種普遍存在的光學(xué)現象。當光線(xiàn)通過(guò)各種渾濁介質(zhì)時(shí)，有一部分光會(huì )改變原來(lái)的傳播方向，向四方分散，沿原來(lái)的入射或折射方向傳播的光束減弱了，即使不迎著(zhù)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(lái)的傳播方向而向四周傳播的現象。

　　上圖是北京天安門(mén)廣場(chǎng)激光表演調試時(shí)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(fā)射的過(guò)程中產(chǎn)生了散射。本來(lái)，激光是射向天空的，如果沒(méi)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(cháng)的大功率氦氖激光器，應該說(shuō)激光的強度非常強，但由于實(shí)驗室是潔凈環(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(guò)的位置噴煙，不過(guò)實(shí)驗室里是嚴禁吸煙的喔。

　　前面的事例說(shuō)明：散射是要有散射源——渾濁介質(zhì)——存在的情況下才會(huì )發(fā)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(cháng)的大功率氦氖激光器，應該說(shuō)激光的強度非常強，但由于實(shí)驗室是潔凈環(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(guò)的位置噴煙，不過(guò)實(shí)驗室里是嚴禁吸煙的喔。

　　前面的事例說(shuō)明：散射是要有散射源——渾濁介質(zhì)——存在的情況下才會(huì )發(fā)生的。

　　另外，即使仔細清除所有的雜質(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 )有散射現象發(fā)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(chēng)光在這種純粹物質(zhì)中的散射為分子散射。

　　實(shí)驗證明，極微小異質(zhì)體（異質(zhì)體線(xiàn)度比入射光波長(cháng)小很多）產(chǎn)生的散射和分子散射的散射規律與大顆粒異質(zhì)體散射（丁達爾散射）不同，其散射強度是與入射光的波長(cháng)有關(guān)的，即散射強度與光波波長(cháng)的四次方成反比，這就是瑞利散射定律。這類(lèi)散射也稱(chēng)為瑞利散射。瑞利散射時(shí)，由于藍光波長(cháng)較短，其散射強度就比波長(cháng)較長(cháng)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(zhì)，即在非常純粹的氣體或液體中，由于分子的熱運動(dòng)引起了介質(zhì)密度的漲落而造成折射率不均勻，也會(huì )有散射現象發(fā)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(chēng)光在這種純粹物質(zhì)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(jiàn)光的光波長(cháng)范圍是400納米（藍紫色）到700納米（紅色）。紅光端波長(cháng)是藍紫光波長(cháng)的1.75倍。其四次方大約是9.38倍。也就是說(shuō)，在可見(jiàn)光的范圍內，短波長(cháng)的藍紫光散射強度接近十倍于長(cháng)波長(cháng)的紅光散射強度。在攝影中就是要超過(guò)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(mǎn)了線(xiàn)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爾散射產(chǎn)生的，呈白色。因此，天空就是白茫茫的。上圖拍攝時(shí)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(yáng)光包含著(zhù)從紅到藍紫各色的光，在太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)，會(huì )發(fā)生散射，而且主要是與光波長(cháng)有關(guān)的瑞利散射。在這種散射的作用下，短波長(cháng)（藍光）的成份被散射掉了，透射的光中長(cháng)波長(cháng)（紅光）的成份就較多。透射光中的紅光成份比例是與光線(xiàn)穿過(guò)大氣層的行程長(cháng)短有關(guān)的。從下圖我們可以看出早晨和黃昏時(shí)的太陽(yáng)光穿過(guò)大氣層的行程比中午時(shí)長(cháng)得多（一般來(lái)說(shuō)要長(cháng)6-10倍），被散射掉的藍光也要多得多。因此，早晚的太陽(yáng)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(méi)有散射，我們在白天看到的天空將與晚上一樣，滿(mǎn)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(yáng)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)看到了這樣的現象。而且正因為地球被大氣層包圍著(zhù)，宇航員從太空看地球，看到的是一個(gè)美麗的“藍色的星球”。

　　在散射粒子線(xiàn)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(lái)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(guò)，使得天空的藍色更藍，而白云也顯得較暗些，產(chǎn)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(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 )有藍色的天空了。

　　在拍攝此類(lèi)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(cháng)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(chǎn)生的散射光使畫(huà)面有一種縹緲如仙景的感覺(jué)。霧是由許多細小的水點(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(wú)章的背景，有利于突出畫(huà)面中的主要形象，提高作品表現力。

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