问题

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?

回答
好的,我们来聊聊金属反光和普通平面反光的那些事儿,以及为什么偏振镜对金属反光不太灵光。

反光,本质上都是光线在表面的“弹回”。

当我们说“反光”的时候,其实指的是光线照射到物体表面后,一部分光被吸收,一部分光以某种方式被反射回来。这个“弹回”的方式,决定了我们看到的反光是清晰明亮的,还是模糊暗淡的。

1. 普通平面反光:就像一面干净的镜子

想象一下你站在一面干净的镜子前。你能看到非常清晰、几乎一模一样的自己。这就是我们常说的“镜面反射”(specular reflection)。

特点: 光线以非常规则、集中的方式被反射回来。入射角等于反射角。
形成原因: 表面极其光滑,几乎没有微小的凹凸不平。光线遇到的只是一个非常平坦的界面。
例子: 镜子、平静的水面、打磨过的玻璃、光滑的抛光金属表面(在某些角度下)。

2. 金属反光:是“镜面反射”的升级版(在光滑表面时)

很多人会觉得金属反光特别刺眼、特别明亮,甚至有时会觉得它“颜色”不对劲。这其实是因为金属本身的物理特性,而不是反光方式上的根本区别,至少在表面非常光滑的情况下,它们遵循的都是镜面反射的原理。

金属的特殊性: 金属之所以反光强,是因为它的原子结构使得自由电子非常活跃。当光线(本质上也是电磁波)照射到金属表面时,这些自由电子会被激发出振动,然后这些振动的电子又会向外辐射电磁波,这就是我们感知到的反射光。
自由电子的“高效”作用: 相比于其他非金属材料,金属的自由电子能够更有效地响应和重新辐射电磁波,因此反射的光能更多,看起来就更亮。
颜色: 为什么有些金属反光是金色(黄金)、银色(银)?这是因为金属对不同波长的光(也就是不同的颜色)吸收和反射的比例不同。大多数金属(如银、铝)会反射几乎所有可见光,所以看起来是银白色。而黄金因为会吸收一部分蓝光,反射更多黄光,所以呈现出金色。

那为什么有人会觉得金属反光“不一样”?

这主要来自于两个方面:

表面粗糙度: 即使是金属,如果表面不光滑,比如有磨砂纹理、划痕,甚至放大来看有微小的坑洼,那么光线就不再是整齐地“弹回”,而是会向四面八方散射出去。这种叫做“漫反射”(diffuse reflection)。漫反射的光源分散,看起来就没有那么亮,颜色也可能更柔和。
金属特有的吸收/反射特性: 即使是光滑的金属,正如前面提到的,对不同颜色的光吸收和反射比例是不同的。这会影响你看到的反光颜色,有时候会觉得金属反光“带有颜色”,或者不像普通镜子那样“纯粹”。

所以,本质区别在哪里?

对于光滑表面而言: 金属反光和普通平面反光(如镜子)在反光方式上没有本质区别,都是遵循“入射角等于反射角”的镜面反射。金属之所以反光强且可能有颜色,是因为其内在的物理结构(自由电子)和对不同波长光的吸收/反射特性。
对于不光滑表面而言: 无论是金属还是其他材料,一旦表面不光滑,就会产生漫反射。这时,反光的“本质”就变成了光线被表面微观结构的散射,而不是规则的反射。

现在,来聊聊“为什么偏振镜不能消除金属表面的反光?”

这是一个非常关键的问题,也牵扯到偏振镜的工作原理。

偏振镜的工作原理:

我们日常看到的光,通常是“非偏振光”,这意味着它的电场振动方向是随机、朝向所有方向的。

偏振镜的作用,就像一个细长的缝隙。它只允许沿着特定方向(称为“偏振轴”)振动的电场分量的光通过,而阻挡或吸收了其他方向的振动。

偏振光(Polarized Light): 当光线经过偏振镜时,它就变成了“偏振光”,也就是说,它的电场振动被限制在了一个方向。

偏振镜能消除什么反光?

偏振镜最擅长消除的是来自非金属表面的“表面反射”或“眩光”。这些反光通常是斯托克斯反射(Brewster's Reflection)。

斯托克斯反射(Brewster's Reflection): 当光线以特定角度(称为“布儒斯特角”或“极化角”)斜射到非金属表面(如水面、玻璃、漆面)时,反射光中的P光(与入射面平行振动的光)被大幅度减弱,而S光(与入射面垂直振动的光)则被增强。 换句话说,这个反射光是高度偏振的,且偏振方向大致与观察者视线平行(或者说,偏振轴倾向于沿着物体表面)。

为什么偏振镜能对付它?

针对S光: 如果你将偏振镜的偏振轴与这种反射光(S光)的偏振方向平行,你会看到明亮的反光。但如果你将偏振镜的偏振轴垂直于这种反射光的偏振方向,偏振镜就会阻挡住这些S光,从而消除或减弱表面的眩光。

为什么偏振镜对金属反光“失效”?

金属的反光,如前面所说,本质上是自由电子与电磁波相互作用的产物。当金属表面光滑时,金属反射的是“非偏振”的镜面反射光,或者说,它没有像非金属表面那样,对特定方向的振动(P光或S光)产生显著的偏好性。

金属反射的“全方位”性: 金属表面上的自由电子,可以响应并重新辐射来自所有方向的电场振动。因此,金属反射回来的光,无论其原始振动方向如何,都趋于保留原始光线的随机振动特性,或者说,它没有一个主导的、可被偏振镜有效阻挡的偏振方向。
角度的影响: 即使在高反射率的金属表面,虽然在某些特定角度下可能存在微弱的偏振效应,但这种效应远不如非金属表面的斯托克斯反射那么强烈和规律。 偏振镜的偏振轴,无法有效地捕捉并阻挡金属反射光中的某个主要振动方向。

简单类比:

偏振镜对付非金属反光: 就像一个只能允许竖着进出的通道,而表面的眩光(S光)就像是排着整齐队伍的竖着的人,你可以通过调整通道方向来让他们进不来。
偏振镜对付金属反光: 就像一个只能允许竖着进出的通道,而金属反射过来的光就像是四面八方都在乱动的、没有固定方向的人群,无论你怎么调整通道方向,总会有一些人能挤过去,所以你无法有效地“拦住”他们。

总结一下:

金属反光和普通平面反光,在光滑表面时,本质上都是镜面反射。金属的独特性在于其自由电子结构,导致其反射率高,且对不同颜色光的吸收/反射有选择性。

偏振镜对付的是非金属表面在特定角度下的“斯托克斯反射”,这种反射光高度偏振。而金属反光由于其自由电子的特性,反射回来的光没有一个可以被偏振镜有效阻挡的、主导的偏振方向,所以偏振镜对消除金属表面的反光效果不明显。

希望这样的解释能够清楚明了!

网友意见

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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:

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)

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)

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 到 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)



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

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