金属反光和其他平面的反光有什么本质区别?为什么偏振镜不能消除金属表面的反光?

金属反光和其他平面的反光有什么本质区别?为什么偏振镜不能消除金属表面的反光?

【王心迪的回答(181票)】:

好几天前就跃跃欲试准备回答这个问题了,无奈刚考完试一直在忙着闲扯,就这么拖到了现在。十分感谢题主让我有机会写点东西!(8月23日写到一半,然后家里断网了!!所以有些内容与其他答案有重复,为保持行文顺畅我就不改了,见谅!)

日常生活中的可见光源(太阳,白炽灯等)发出的光都是非偏振光。非偏振光是由不同方向的偏振光随机组成的。一个偏振光的简单例子是单色平面波,我们可以把它简单想象成一个正弦波。偏振镜的原理就是把非偏振光中的大部分偏振光过滤或吸收掉,只让拍摄者需要的光通过偏振镜。图1直观展现了偏振镜的原理:白炽灯(1)发出的非偏振光(2)通过偏振镜(3)的过滤变成了在一个方向上震荡的偏振光(4)。

图1:偏振镜的原理 (来源:图1:偏振镜的原理 (来源:偏振)

摄影中使用的偏振镜有两种,一种是线性偏振镜,另一种是题主提到的 CPL (Circular Polarized Light) —— 圆偏光镜。这两种偏振镜的原理都可以用图1来解释。由于本文着重讨论的是金属反射光,所以这两种偏振镜的区别就不展开了,只摘录维基百科的一段话:

偏振镜有线性偏振镜(PL,也称直线偏振镜)及圆偏振镜(CPL Filter)两大类。线性偏振镜通常用于老式相机,因为反光镜和测光/测焦分光镜的原因,无法与单反相机一起工作。而圆偏振镜则可以在跟任何一种相机上使用。(来源:偏振镜)

现在来说说金属反光和“一般平面”(玻璃,水面,木头)反光的区别。图2是大家上中学时都见过的光的反射图。不过这张图加了点料:入射光

(非偏振光)中的任意一个方向的偏振光

都可以分解成平行于反射平面(灰色)震荡的

部分和垂直于反射平面震荡的

部分。

图2:光的反射(来源:见注)图2:光的反射(来源:见注)

一束非偏振光无论是在金属表面上还是“一般平面”上被反射,都可以用图2来描述。话虽这么说,区别还是有的。在图3里我们不妨严谨一点把“一般平面”归类为绝缘体。R 是光在物体表面的反射率,T 是光的入射角。p 是平行于光的反射面的偏振光(即图2的

), s 是垂直于光的反射面的偏振光(即图2的

)。图3是怎么画出来的?—— Fresnel equations (菲涅耳方程)。方程长什么样对理解问题不太重要,所以略过。

图3:光的反射率与入射角的关系 (来源:见注)图3:光的反射率与入射角的关系 (来源:见注)

到这里问题就得到解答了:从绝缘体反射出的 p 部分本来就很少,所以拍摄者只需要用偏振镜把 s 部分过滤掉就可以得到一张满意的照片。至于金属,无论是过滤 s 部分还是 p 部分,另一部分的光还是会被反射到镜头里,所以偏振镜怎么转,金属的反光都不会被过滤掉。

想搞清楚为什么金属的反射率那么高的同学可以继续往下看。(8月23日写到这里)

这里插播一下,8月25日看到了问题的补充:为什么金属反射的光不是偏振光?我想说绝缘体反射的光大部分情况下也不是偏振光,图3就说明了一切。图中只有在大约50° 至 60° 间绝缘体反射的光才是偏振光,因为在这个角度范围内反射光只剩下了 s 部分。这个角度叫做 Brewster's angle (布儒斯特角 / 起偏角)。中文名字起偏角很形象地描述了这个角度的特性。另外一个现象是,在入射角等于起偏角时,反射光和折射光的夹角为90°,这个现象也是起偏角的成因,想深究的同学请参考关键词 “Hertzian dipole”(中文名不知道是啥,在德国上的大学,不好意思)。所以对于为什么金属反射的光不是偏振光?这个问题,还是可以用我上面的话回答:从绝缘体反射出的 p 部分本来就很少,所以拍摄者只需要用偏振镜把 s 部分过滤掉就可以得到一张满意的照片。

继续解释为什么金属反射率那么高。

(为什么要解释?图3是关键。如果金属的 p 部分可以再往下挪挪,那么用偏振镜过滤 s 部分就可以过滤掉大部分的金属反光,就像处理绝缘体一样。所以偏振镜过滤不掉金属的反光,关键就是因为金属的 s 和 p 部分反射率都很高。)

Drude model (德鲁德模型)告诉我们,金属中的电子不像绝缘体中的电子一样付着在原子周围,而是到处乱跑的。假设现在有一个独立的电子被放到一束电磁波(光)中,那么电子就会跟随电磁场做规则震荡运动,电子本身的能量不变。但是如果金属中的电子被电磁波(光)照射,电子在做震荡运动的时候还会与周围的原子或离子发生碰撞,每碰撞一次,电子就会得到更多的能量,电子的运动方向也会发生改变。

回顾一下绝缘体:在入射角等于起偏角时,p 部分完全不会被反射。那么 p 部分哪去了呢?——被吸收了。所以吸收是关键。(感谢 @武韬 指正,入射光不止会被吸收,还会被折射从而穿透物体。当时写得太快忽略了折射部分。)

想要让金属吸收光的能量是非常困难的事情,因为金属中的电子只有在与原子或离子碰撞的时候才能吸收能量,想要电子吸收更多的能量,就要有更多的碰撞,就需要一个很高的碰撞频率。图4是入射角为0°的光(垂直入射)的反射率与频率在铝的表面的关系。虚线是用德鲁德模型计算出来的数值,可以看到在频率约等于

Hz 时,反射率突然降到了0。这个频率叫做 plasma frequency 。它的大小与金属的电子密度成正比。所以只有频率很高的光才能被金属吸收。人眼可见光的波长范围大概在 400 到 800 nm (纳米) 之间,换算过来就是

Hz 之间。这个频段远远达不到被金属吸收的大小。

图4:光的反射率 R 与频率在铝的表面的关系(入射角0°)(来源:见注)图4:光的反射率 R 与频率在铝的表面的关系(入射角0°)(来源:见注)

*注:图片来源 Anwendungen der Lasertechnik 2. Vorlesung, Prof. Reinhart Poprawe, Lehrstuhl für Lasertechnik LLT, RWTH Aachen

【知乎用户的回答(20票)】:

参考Fresnel 公式:

对于P偏振光,反射率为:

对于S偏振光,反射率为:

对于一般材料,P和S偏振光的反射率的比值为:

对于金属(高N材料),P,S偏振光的反射率比值为:~1

【知乎用户的回答(12票)】:

首先,光波在界面发生反射跟透射时,可以将其振动分解成垂直于入射面(s分量)和平行于入射(分量)的两个分量。

在界面上反射时,s分量跟p分量的反射比是不一样的。在界面上反射时,s分量跟p分量的反射比是不一样的。

一、对于电介质(折射率n为实数)而言:

(公式来源:维基百科Fresnel equations)

以光从空气(n=1)进入折射率n=1.5的介质(如某些玻璃)为例,可以做出其s分量跟p分量的反射比曲线图。

图中可见,在入射角等于56.3°时(布儒斯特定律Brewster's angle),p分量的反射比为0,意味着此时所有的反射光都是s分量的光。通过再加一个偏振片(题主提到的偏振镜),就可以把s分量全部滤掉,也即滤去了全部反射光。这是电介质的情况。

PS:此处只讨论最特殊的完全消光情形,部分消光情形可以类推。

二、对于金属(折射率n为复数)而言

(来源:郁道银,谈恒英《工程光学》第二版公式11-104)(κ是金属的衰减系数)

以铜(Cu)和银(Ag)为例做出其反射比曲线。

(不好意思,爪机拍的,图有一点扭曲)(不好意思,爪机拍的,图有一点扭曲)

可以看出,虽然p分量的反射比有极小值,但是其极小值并不等于零,表明在金属表面反射时,一定有p分量的存在,因此不会产生全偏振(只有s分量)现象。

因此,一个偏振镜只能消除某一种分量(s或者p)的反射光,并不能实现完全消光。

三、金属反光和电介质反光的本质区别——折射率。

1、光的本质是一种电磁波,对于与其相互作用的物质有电场和磁场的作用。金属相对于电介质而言,其中存在着大量的自由电子,在电场作用下可以产生电流(也就是可以导电),由此产生了金属/电介质这两种物质的本质区别。

2、由万能的麦克斯韦方程组Maxwell's equations解得,电介质的折射率是实数n,金属的折射率是复数

同样地代入上文提到过的菲涅耳公式,就解得了两种完全不同的结果,也解释了两种不同介质的反光现象。同样地代入上文提到过的菲涅耳公式,就解得了两种完全不同的结果,也解释了两种不同介质的反光现象。

参考文献:

[1]郁道银、谈恒英,《工程光学》;

[2]郭硕鸿,《电动力学》;

【王星泽的回答(3票)】:

本质原因是金属的复折射率导致没有透射,从而很好地保持了原入射光中对于两种偏振的对称性。

【知乎用户的回答(0票)】:

本质上金属有自由电子,maxwell方程中传导电流密度不是零,把它带来的影响与原有的介电常数项合并,认为介电常数变成复数,折射率也就是复数,得到的反射系数是复数。

分s和p光,是因为方程的边界条件区分电场和磁场方向。

量子力学角度我不清楚

另外复折射率也意味着反射会产生相移,这里体现不出来,虽然我看到题目第一眼想到的是这个。

【ThomasSchuss的回答(0票)】:

窃以为觉得这个应该和金属本身的特性,而不仅仅@李绍唐 提到的表面光滑度的原因。

从维基摘抄了一段,是不是和这个相关?期待知友解惑,谢谢

自由电子与金属性质的关系[编辑]

自由電子使金屬具光泽、富有延展性、容易导电、利于传热。在金属晶体中具有中性原子,金属阳离子与自由电子,而自由电子可在整个晶体中自由移动。具光泽

当光线照射到金属表面时,自由电子吸收所有频率的可见光,然后很快的发射出大部分所吸收的可见光。这也是因为绝大多数金属呈银白色或钢灰色光泽的原因。金属在粉末状态时,由于晶体排列不规则,可见光被自由电子吸收后难以发射出去,所以金属粉末一般呈暗灰色或灰色,但少数金属的粉末会保持原来的颜色及光泽,例如金和鋁。

【SongVision的回答(0票)】:

从拍摄的角度,可以理解为全反射、半反射和漫反射。

偏振片的作用,你可以理解为消除了其他振动方向的光,而保留了一定方向(反之亦然)。

但以上的几种反射光同时存在时,你没法消除全部。

所以:

并非无法消除。

而且方法确实比较多。

如,在光源和镜头前都增加偏振片。

如,光源前增加透膜。

如,反射面加涂层。

……&(*&……*@#

等等,不赘述了。

原文地址:知乎

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