偏振现象在摄影技术中的应用

偏振现象在摄影技术中的应用

[实验目的]

1、了解自然光、偏振光的概念。

2、验证马吕斯定律。

3、了解界面反射光的偏振性及布儒斯特定律。

4、了解偏振现象在摄影技术中的应用。

[实验原理]

1、自然光与偏振光

波有两类，一类其媒质的振动方向与波的传播方向相同，称为纵波，如声波；另一类其相应量的振动方向与波的传播方向垂直，称为横波，如电磁波。

光是一种电磁波，一般将对眼睛起主要感观作用的电场振动方向作为光波振动方向，光是横波，所以它的振动是有极性的。在与传播方向垂直的平面上，它可沿任一方向振动。如果一束光线都在同一方向振动，称为线偏振光，如图(a)所示，如果电场只是在某一确定方向上的振动比其他方向的振动大，则称部分偏振光，如图(b)所示，一般光源发出的光不是偏振光，其电场的振动沿各个方向完全相同，如图(c)所示，这样特征的光称为自然光。它可以分解为方向相互垂直.振幅相等，但取向可以任意的两个线偏振光。

2、马吕斯定律

普通光源发出的光是自然光，但通过许多途径可以由自然光得到线偏振光，方法以之一就是使用偏振片。

偏振片通常由各向异性的透明介质制成，这种介质能强烈吸收入射光在某方向上的电振动，从而使自然光变成线偏振光。偏振片中允许电振动通过的方向称偏振化方向。当自然光照射在偏振片上时，垂直于偏振化方向振动的光被完全吸收，透射出的光的振动方向与偏振化方向平行，为线偏振光，其光能量为入射自然光的一半。

图（2）所示，在垂直于自然光传播路径上，放置两个偏振片P1、P2，其偏振化方向之间的夹角为α。

图（2）

当自然光通过P1后，变成电振动方向与P一致的线偏振光，设其振幅为E。当此线偏振光穿过P2时，仅与P平行的分量Ecosα通过，垂直分量ESinα则被

吸收，变成电振动与P2偏振化方向平行的线偏振光。而光强（光的能量）与振幅的平方正比。设自然光的光强为I。则穿过P1光强为

，穿过P2的光强为

，这里

。

注意：穿过P1的光强为

，这就是马吕斯定律。

3、布儒斯特定律

自然光入射到两种不同的各向同性透明介质的分界面上时，要发生反射与折射，实验发现，反射光和折射光一般都是部分偏振光。

通常将入射光线与界面法线（图(3)中为纸面）所确定的平面称为入射面。入射的自然光可用两个相互垂直，振幅相等的线偏振光表示；一个电振动方向与入射面平行，其振幅用Ep表示：一个电振动方向与入射面垂直，其振幅用Es表示。

图（3）

由实验可知，入射角i等于反射角，反射光中Es（垂直分量）大于Ep（平行分量）。当入射角i满足

时，Ep=0，注意此时反身光中只有垂直于入射面的光振动，折射光仍为部分偏振光。

4、偏振现象在摄影技术中的应用

摄像离不开光线，一般情况下，自然光在各个方向上的振动是均匀分布的。但当被摄物为非金属且有光滑表面的时候，在一定的自然光照射角度下，其反射光除自然光外，还有部分偏振光。当含有自然光和偏振光的光线通过摄像机的镜头进入摄像机形成影像后，很多时候会发现由偏振光形成的眩光破坏了画面的完善性。玻璃表面的反射光，使我们拍摄不到玻璃橱窗里面的东西；水面的反射使我们拍摄不清水中的物体，树叶表面的反射使拍摄后的树叶像发白等。

为了在不同自然条件下拍到理想的或具有艺术效果的照片，可以在照相机前加偏振镜。根据布儒斯特定律，自然光经水面反射后为部分偏振光，而在布儒斯特角

℃时，（n2=1.33，n1=1），为线偏振光。如图（4）所示，在相机的镜头前加上偏振镜，摄影者在岸上将相机以53℃左右对准水面，旋转偏振镜，使其振化方向与反射光的振动垂直拍摄，（此时在取景器中看到水中的物体最清楚），则可以大大减少反射偏振光的影响，拍到清晰的水下物体。

图（4）

[实验仪器]

S-光源，氦氖激光器

P1，P2——偏振片

D——光电转换器件，将光信号转为电信号

G——光电流放大器，记录显示光电流大小

数码相机，塑料（或瓷）脸盆，小电池，树叶，角度尺

[实验内容]

1、验证马吕斯定律

（1）如图（5）安置好各光学仪器，各仪器中心应调节到同一水平轴。

图（5）

（2）校正值的测定

当P1⊥P2时，理论上为消光状态，电流值i⊥=0，但实际中有杂散光及仪器误差，使得P1与P2夹角

时，i⊥≠0，实际值为测量值减去校正值。

（3）根据

，从θ=0开始，每隔△θ=20℃，至θ=360℃，完成表1。

θ0 20 40 (360)

I

表1

2、利用所学知识，消除反射偏振光在摄像时的影响。

（1）将一对电池放入装满水的脸盆中，用数码相机拍摄其图片。

（2）将相机以53°方位对准电池，将偏振片挡在镜头前，转动其偏振化方向使之与反射光振动方向垂直（此时取景窗中图像最清晰）。再次拍摄电池，并与（1）比较。

（3）将烟盒放置在光滑桌面上，用相机拍摄其图片。

（4）仔細凋节照相机的方位及偏振片的偏振化方向后再次拍摄烟盒图片，可以减少桌面反射光的影响。

{5在自然条件下拍摄植物，仔細凋节照相机的方位及偏振片的偏振化方向后再次拍摄植物。

[数据处理]

1、根据表1作I——θ曲线。

2、比较六幅相片的异同。

3．注意：利用偏振镜压暗天空的效果与阳光的角度有着密切的关系，在逆光状态下，偏振镜则不起任何作用。此外，阴、雾天气中偏振光的成分较少，这时偏振镜便不会产生明显的作用了。