影用光技巧 散射光的原理与应用

一玄

  

        向拍摄者直射过来的大阳光被云层遮住了，但我们仍然可以看到向四周发射的“光线”。实际上，我们看到的是向四周发射的光所产生的散射光。这种散射光产生了漂亮的“光芒四射”视觉效果。

        拍摄者巧妙地用树叶挡住了相当部分的直射向镜头的太阳光，而射向四周的阳光在散射的作用下营造出一种特别的气氛，是不是作者有意要表达佛光普照的意境？庙中香烛所产生烟雾提供了最好的散射源，使得散射光在画面上十分突出。

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        请注意画面上的香火形成的烟雾呈现出一种浅蓝色。这是由于组成烟雾的炭粒子线度非常小，由这些烟雾产生的散射光符合瑞利散射的条件，因此散射光中的蓝光成份比红光成份强得多。我们平时所说的“袅袅青烟。”说是就是这种瑞利散射所产生的现象。

        这几幅摄影作品，之所以产生浓浓的“气氛”就是巧妙利用了光线的散射现象，也就是利用了“散射光”。那么，究竟什么是散射光，是如何产生的呢？

一玄

        散射是一种普遍存在的光学现象。当光线通过各种浑浊介质时，有一部分光会改变原来的传播方向，向四方分散，沿原来的入射或折射方向传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也能够清楚地看到这些介质散射的光。这种现象就是光的散射。

        在光学中的定义，散射就是由于介质中存在的微小粒子（异质体）或者分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。



        上图是北京天安门广场激光表演调试时的照片。我们之所以能看到划破夜空，射向天空的激光束，就是因为激光在向高空发射的过程中产生了散射。本来，激光是射向天空的，如果没有散射现象，站在地面上的我们是看不到光束的。

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        散射是一种普遍存在的光学现象。当光线通过各种浑浊介质时，有一部分光会改变原来的传播方向，向四方分散，沿原来的入射或折射方向传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也能够清楚地看到这些介质散射的光。这种现象就是光的散射。

        在光学中的定义，散射就是由于介质中存在的微小粒子（异质体）或者分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。



        上图是北京天安门广场激光表演调试时的照片。我们之所以能看到划破夜空，射向天空的激光束，就是因为激光在向高空发射的过程中产生了散射。本来，激光是射向天空的，如果没有散射现象，站在地面上的我们是看不到光束的。

一玄

请看我们近距离拍摄大功率激光管工作的状况：



        测试中的是一米长的大功率氦氖激光器，应该说激光的强度非常强，但由于实验室是洁净环境，散射光非常弱，我们完全看不到出射的激光束。如果要想看到激光束，就得在光束穿过的位置喷烟，不过实验室里是严禁吸烟的喔。

        前面的事例说明：散射是要有散射源——浑浊介质——存在的情况下才会发生的。

一玄

气体中混有固体微粒，即大气中有烟，灰尘；
气体中混有微小液滴，就象雾；
液体中混有固体微粒，称为悬浊液；
液体中混有另一种液体的微小液滴，称为乳剂。


        当光通过这些介质时都会发生散射。我们平时说，光是直线传播的（这里不考虑光的衍射），但是实际上光波只有在真空或均匀介质中传播时，才有确定的传播方向。

        如果介质不均匀，即有异质体存在，就会有散射现象。实验发现，这里的关键是折射率的不同，如果两种物质的折射率相同，把它们混在一起时就和只有一种介质一样，并没有散射光。浑浊介质中的异质体的线度要比光的波长大时，散射作用是很强的，这种散射也称丁达尔散射或者丁达尔效应。丁达尔散射的强度是与光波波长无关的，因此，当入射光是白光时，我们看到的散射光也是白光。

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       另外，即使仔细清除所有的杂质，即在非常纯粹的气体或液体中，由于分子的热运动引起了介质密度的涨落而造成折射率不均匀，也会有散射现象发生。虽然它们的散射强度远远小于丁达尔散射，但这种现象还是普遍存在的。我们称光在这种纯粹物质中的散射为分子散射。



        实验证明，极微小异质体（异质体线度比入射光波长小很多）产生的散射和分子散射的散射规律与大颗粒异质体散射（丁达尔散射）不同，其散射强度是与入射光的波长有关的，即散射强度与光波波长的四次方成反比，这就是瑞利散射定律。这类散射也称为瑞利散射。瑞利散射时，由于蓝光波长较短，其散射强度就比波长较长的红光强，因此散射光中蓝光的成份较多。

一玄

    丁达尔散射和瑞利散射的规律不同，是能不能看到蓝天白云的根本原因。

        我们知道可见光的光波长范围是400纳米（蓝紫色）到700纳米（红色）。红光端波长是蓝紫光波长的1.75倍。其四次方大约是9.38倍。也就是说，在可见光的范围内，短波长的蓝紫光散射强度接近十倍于长波长的红光散射强度。在摄影中就是要超过三档曝光量（三档曝光量是8倍）。



        在空气条件好的情况下，即空气比较洁净，悬浮尘埃较少时，主要的散射是瑞利散射，散射光中蓝色成份较多。这就是我们所期望看到的蓝天白云。而在一些城市里，特别是大气污染较严重的大城市里，由于空气中充满了线度较大的悬浮尘埃粒子，此时的散射光有很大一部分是丁达尔散射产生的，呈白色。因此，天空就是白茫茫的。上图拍摄时天气很好，天空是蔚蓝色的，但是在靠近地面的地方还是有太多的尘埃，远不如高空那样清澈。

一玄

白色的太阳光包含着从红到蓝紫各色的光，在太阳光经过大气层时，会发生散射，而且主要是与光波长有关的瑞利散射。在这种散射的作用下，短波长（蓝光）的成份被散射掉了，透射的光中长波长（红光）的成份就较多。透射光中的红光成份比例是与光线穿过大气层的行程长短有关的。从下图我们可以看出早晨和黄昏时的太阳光穿过大气层的行程比中午时长得多（一般来说要长6-10倍），被散射掉的蓝光也要多得多。因此，早晚的太阳看上去就是偏红色的。



        另外，我们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气层的散射。如果没有散射，我们在白天看到的天空将与晚上一样，满天星斗在黑色的背景上闪烁，唯一不同的是有一个十分明亮的太阳在黑色的背景上发出耀眼的光芒。这不是幻想，事实上宇航员从太空已经看到了这样的现象。而且正因为地球被大气层包围着，宇航员从太空看地球，看到的是一个美丽的“蓝色的星球”。

一玄

    在散射粒子线度很小的情况下（主要发生瑞利散射），散射光是偏振光。因此我们在摄影时可以用偏振滤镜来加强蓝天白云的效果。





        请看使用偏振镜后的效果对比，上图左侧是未使用偏振镜拍摄的效果，右侧是使用偏振镜后的效果。

        由于偏振滤镜滤去了白光中的一部分而让全部蓝色偏振散射光通过，使得天空的蓝色更蓝，而白云也显得较暗些，产生了非常良好的效果。



        这是上海一幢有名的大楼照片。大楼屋顶像莲花座，每天晚上楼顶上的几束强光刺破夜空，也算是外滩的一景。我们能看到这几道光束，就是散射的作用。如果城市上空的空气不干净，悬浮尘埃越多，散射就越强，光束就会显得很亮。反之，光束就会显得很淡。如果晚上我们基本上看不到这几道光束了，也许白天我们的城市就会有蓝色的天空了。