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基本所有介绍CPL原理的中文资料都模模糊糊语焉不详。老败决定要使科学白痴也能明白啥叫CPL,所以本文从光的波动讲起。如果你已具备高中物理及格的知识水平,不妨直接从第三段看起。
光的本质,按现代物理的说法,是一种粒子。粒子?不太好想象,就像一束喷射而出的豆子?不知道。幸好,这光的粒子本质跟咱们想要讨论的主题没啥关系。这里的重点是光的波动特性。理解光的波动特性需要点想象力。来,跟着老败想,你和你老婆(梦中情人也行),各捏着一根跳绳的两端,把它平行于地面地拉直。此时,你把手上下抖动一下,你看到了什么?你会看到一个‘波’从你这端‘跑’向你老婆那端。光的传播,差不多就是这样。你刚制造的这波个是上下振动,为了描述方便起见,咱们把这波的振动方向称作‘极化’方向。所以,你刚制造了一个极化方向垂直于地面的波。同理,你要是把手水平地抖动也可以制造出极化方向水平,与地面平行的波。你要愿意,你的波的极化方向也可以是斜的,既不水平也不垂直。你甚至可以非常高频率地抖动,在一瞬间将从水平到垂直之间所有的极化方向都抖出来。世上万事都是物极必反,所有的极化方向都有了,也就没有什么方向可言,也就是‘非极化’。一般的光就是这种包含着所有极化方向的非极化光,而只有一个极化方向的光叫线偏振光。除了上下、左右地抖动跳绳,你还可以画圈。这时你会看到什么?你会看到一个螺旋线从你这端跑向你老婆那端。这种螺旋的极化方式,咱们叫它 ‘圆形极化’,记住这个词,这是后面要讲的CPL的重点所在。
好,现在继续想象。你抖出一个极化方向垂直的波,此时老败拿了个大梳子,在绳子上垂直插下去,会发生什么?什么都不会发生。波会通过梳齿的间隙顺利地传播过去。但是,一个水平方向的波则会被垂直插下的梳齿所阻断。不光水平方向,所有非垂直方向的波都会被这个梳子所阻断而滤除。将这个模拟应用到光线上,就是说一束非极化光经过这个梳子过滤后就变成了极化光(线偏振光),这个梳子就叫偏振镜(PL)。真实的偏振镜是一个玻璃片。秘密是这玻璃片中包含了许多平行排列的针状晶体,比如奎宁,就是用来治疟疾的那种药。至少早期的偏振镜用的就是奎宁晶体。这许多平行排列的针状晶体对光线来讲就起到了梳子的作用。非极化光被偏振镜过滤一下就成了偏振光。那偏振光如何通过偏振镜呢?那就要看了,如果偏振光的极化方向与偏振镜的晶体排列方向平行则畅通无阻,如果垂直则无法通过,被滤除。
对咱们拍照片的人,偏振镜的最大用途是滤除非金属表面(水、玻璃等)的反射光。其关键就在于,一束非极化光,经这些表面反射后就成了线偏振光。即,只有极化方向平行于反射面的偏振光才能被反射(见下面图示)。此时如果使用一个晶体排列方向与反射面垂直的偏振镜即可将这反射光滤除。但是,非极化光与线偏振光不是黑与白那样绝对互相排斥,他们可以混合成‘灰’。事实是,只有当光线的入射角度恰巧等于某个度数时,反射出的光线才是纯的线偏振光。以其他角度入射,反射光只不过是极化程度有所偏倚而已。这个反射出纯线偏振光的角度因不同材料而异,由材料的折射率决定。比如,普通玻璃的折射率是1.52。这个角度就是57度。所以,我们在使用偏振镜时除了旋转镜片,还需要上下左右地调整视角以寻找消除反光的恰当程度,而这如何与你的构图需求相妥协,有时候是挺令人头疼的事。偏振镜的另一个用途是压暗蓝天,是因为天光中含有很多空气折射成份,而这些这折射光中又有一定成份是偏振光。
偏振镜对光线有衰减作用,这很容易理解。它不就是个梳子么,只有梳齿间隙才是透光的,不透光的梳齿(针状结晶)加起来占了不小面积呢。你隔个纱窗看外面不是觉得暗许多么。所以一般的偏振镜会吃掉大约2档曝光量,这对光线不佳的环境比如室内的拍摄经常很不利。
那么CPL又是怎么回事呢?在单反相机的自动对焦和测光出现之前,PL就足够了。但是自动对焦和测光系统带来了麻烦。在这类相机里,光线经过镜头后会被分成三份,一份去取景器供肉眼观察,一份用于测光,一份用于自动对焦(见下面图示)。这三份的典型比例是60%,20%,20%。而将光线分份的装置(分光器,即下图中的反光板)本质上就是一个玻璃镜子。上面说了,通过PL后的光线就是线偏振光,而玻璃的反射是与入射光线的极化方向有关的。这就麻烦了,加了PL后,分光器分割出三份的光线强度的比例可能就不再是60%,20%,20%。这就会造成测光的不准。怎么解决这一问题呢?这里需要一个新的透镜叫‘1/4波片’。1/4波片的作用是将入射的任何线偏振光转化成圆偏振光(参见上面圆形极化的概念)。而圆偏振光的反射没有线偏振光的问题,不会给分光器制造麻烦。1/4波片的本质是具有双折射率的晶体在切割成一定厚度时的效应。其具体原理在此不必了解。总之CPL就是在PL后面有粘了一块1/4波片的复合透镜。
CPL与PL,肉眼不是那么容易分辨(JS要拿个PL当CPL卖你怎么办?)。但是,从上面原理来看,他们有一个特性的差别很显著:PL对线偏振光的阻断是双向的(不管光线从镜的哪一面射入);而CPL对线偏振光的阻断是单向的,即,如果线偏振光先射入1/4波片则被转化成圆偏振光而不再被PL滤除。这话说起来拗口,试一下很容易。你的液晶显示器所发出的光就是线偏振光。透过你的CPL看显示器,慢慢转动CPL,你会发现显示器会被逐渐遮没。将CPL前后颠倒,换一面,这种现象就不再出现。呵呵,好玩吧。
全文完
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