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标题: PL, CPL, ND-fade [打印本页]

作者: 526810162 时间: 2016-7-18 10:32
标题: PL, CPL, ND-fade
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作者：章佳杰
链接：http://www.zhihu.com/question/22482294/answer/21687224
来源：知乎

遥想当年，物理学界对光的本质到底是什么有着极大的分歧，牛爵爷为首粒子派招式平平但功力深湛，凭着发明了微积分的牛爵爷一身雄浑无比的数学功力横扫天下，打得波动派毫无还手之力。然而牛爵爷实在是五百年不世出的天才，他过世之后便再也无人支持大局，反而波动派这边小辈们人才辈出，一个又一个决定性的实验结果打得粒子派重伤呕血，最终在乌龙王泊松的亮斑照耀下，给粒子派钉上了最后的棺材盖。
咳咳，扯远了……
在这段百转千回的历史纠葛中，偏振光扮演了一个有趣的角色。在开始的时候，波动派的先锋惠更斯同学无法解释由偏振光引起的双折射现象，为粒子派所攻击。后来托马斯·杨却破旧立新，自创横波流，一招左右互搏完美解释了双折射现象，为波动派奠定了胜利的基石。
咳咳，又扯远了……
总之，后来集大成者麦克斯韦同学在其乾坤大挪移神功下，领悟出麦克斯韦方程，一统天下，并明确预言了光就是一种电磁波，至此天下太平。当然后世天才小爱同学独辟蹊径，由外而内，携光电效应大杀四方，在整个物理学界掀起一阵腥风血雨。继而开辟波粒二象性之伟大时代，建立量子理论的不世功勋，这又是后话了。
咳咳，要扯不回来了……

努力扯回来，什么是偏振（PL）？
既然我们现在已经知道，光是一种电磁波（我们先不管波粒二象性和量子物理，从经典理论出发），并且知道，电磁波是一种横波，其电矢量和磁矢量与其传播方向是垂直的，就像这样：

这里蓝色的就是电矢量，红色的就是磁矢量了~电矢量和磁矢量同时变化，他们合成的光矢量也就随同变化。我们画出每个截面上的箭头来看看：

看得出来吧，这个黑色箭头就是光矢量，它就沿着一条直线来回振动。这就是线偏振光（Polarizing，PL）

那么圆偏振（Circular Polarizing，CPL）又是怎么回事呢？
你看上面这个图，电矢量和磁矢量是同时达到最大和最小的，换个专业的说法是，电矢量和磁矢量是同相位的（相位差为0）。但是麦克斯韦同学说了，电矢量和磁矢量没必要一定是同相位的呀。嗯，我们让他们不同相位看看：

哎，看到没，蓝色箭头最长的时候，红色箭头才刚开始冒出来呢……
- 那又怎么样？
啊，我们继续画出每个截面的箭头来看看

看到了吗？由于电矢量和磁矢量不再同步变化，所以两者合成的光矢量就开始绕圈了！这就是圆偏振（CPL）。当然，由于电矢量和磁矢量相位差有大有小，所以光矢量画出来的圆圈就有的圆一点有的扁一点。

PL 滤镜为什么能起作用呢？
相信题主知道 PL 滤镜能消除水面、玻璃表面等的反光，能够压暗天空，那这是为什么呢？实际上，虽然光是一种横波，但是自然界中的光线，他们偏振的方向是各个方向都有的，而 PL 滤镜的作用，就是只让其中某一个方向的光矢量通过。
这话说着有点绕，还是上图吧[1]

图片来自 Wiki 的 Polarizer 词条。最左边是来自自然界的光，各个方向都有，中间是一块 PL 滤镜，这种滤镜有一个特点，只让某一个特定方向的电场矢量通过（在这个例子里，就是竖直方向），而把其他方向的偏振光线都挡住。
在自然场景中，水、玻璃、金属等表面反射的光线与普通的自然光不同，而含有很强的偏振成分。也就是说，那些反射光线中，大部分的光矢量都是沿着一个方向振动的，于是我们用一个 PL 滤镜，旋转到某个角度，就能把这些反射光线都挡住，从而消除了反光。
而天空呢，实际上天空的蓝色光线也是含有很强的偏振成分的（这又可以单独开一个话题了），并且与太阳方向成90度的那一片区域偏振成分最强。于是用一块 PL 滤镜旋转到合适的角度，就能把那一片区域天空的光线挡住，所以看起来就能压暗天空了~

既然这样为什么要有 CPL 呢？
现代单反相机的测光系统，是藏在反光镜或者棱镜后面的，如下图[2]

刚才我们说了，玻璃这种东西，它反射的光线是偏振的，或者说，他对不同偏振方向的光线，反射率是不一样的。这本来无所谓，自然界的光线什么偏振方向都有，但是现在我们在镜头前加了一块 PL 滤镜，于是进入相机的光线就都变成一个方向了，这下可好，随着我 PL 滤镜转向不同的方向，这个反光镜反射到测光传感器的光线也就忽多忽少，这还谈什么测光啊！
好在有人灵机一动，既然线性偏振不行，那么就用圆偏振吧，一下解决了问题。不管 CPL 转到什么位置，反光板反射的光线总是一样的，这样自动测光就又准了。

看这张图[1]，首先通过一个线性偏振片，把某些方向的讨厌的反光给挡住，然后通过一个 1/4 波片将电矢量和磁矢量的相位给错开，于是进入相机里的就是圆偏振了~

那么 ND-fade 又是怎么回事？
理解了偏振光，那说起来 ND-fade 就容易了。

ND-fade 可以由两块 PL 组成，各种偏振方向都有的自然光（上图左）经过第一块 PL，变成了只含有一个方向偏振的光（上图中），这样的光线经过第二个 PL，那么沿着第二个 PL 方向的光矢量分量（上图右，红色分量）被保留，垂直于这个方向的光矢量分量（上图右，蓝色分量）被截止，最后进入镜头的，只有红色分量了。

很显然，通过改变两块 PL 之间的夹角，就能决定最后通过的光矢量分量有多少。如果两块 PL 方向垂直，那么就能挡住几乎所有的光线了。

作者: 526810162 时间: 2016-7-18 10:34

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