光的本性与光波

我们知道，没有光线，人们将无法看到任何景物；没有光线，照相机也不能记录任何影像。因此，没有光就没有摄影。准确处理光线是照相机最基本的功能；正确利用与控制光影是摄影师需要掌握的基本技术。要想熟练使用手中的相机，进一步提高摄影技能，每个摄影人都应该了解一些最基本的光学知识。

▼光的波粒二象性

早在战国时期，我国的《墨经》中已经正确描述了有关光线与镜面成像的若干规律。两千多年以来，人们经过反复探索、研究与争论，才逐渐认识了光的本性。科学家发现：在研究光与其他物质的相互作用（例如用测光元件测光、感光胶片曝光）及光的发射与吸收等现象时，光体现为由大量微小粒子——光子组成；但是在研究光的传播中（例如光的折射、干涉、偏振等现象），光又体现为一种波动——光波。现代光学认为，光也是一种物质，其粒子性与波动性正是它的两种属性，只是在不同条件下展示出不同的特征。对于光的这种特点，我们称为“光的波粒二象性”。

▼光的波动性

与粒子性相比，光的波动性与我们的摄影活动联系得更密切。因此，下面我们将着重介绍光的波动说。

物理光学研究表明，光波是一种能引起人眼产生视觉的电磁波，与电波、无线电波、微波（雷达波）、X射线等属于同一个家族（图1-1）。

光在传播过程中振动的方向与传播的方向垂直，因此光波是横波。光在传播时振动方向（相位）与振幅都相同的相邻两点间的最小距离称为波长。光波与其他电磁波的主要区别在于波长不同。

光在真空中的速度也与其他电磁波相同，约为每秒30万千米。光在空气中传播的速度与真空中的光速几乎相同，光在其他物质中传播时速度将变慢。

光波的振动方向——混合光与偏振光

普通光线是由振动方向各异的多种光组成的混合光线。有一种滤镜只允许特定方向振动的光线通过，称为偏振镜。偏振镜允许光波通过的振动方向称为偏振镜的偏振方向。当普通光线通过偏振镜（图1-2a）或在多数非金属物质表面反射后（图1-3），振动的方向会趋于相同，这种振动方向大致相同的光线称为偏振光，如果偏振光中所有光波的振动方向完全一致，则称为“全偏振光”或“线偏振光”（图1-2a，b）。由于偏振镜可以有效地吸收振动方向与其偏振方向垂直的偏振光（图1-2b），因此，摄影中常用偏振镜消除非金属物体表面的反射光（图1-2a、图1-3）。普通偏振镜透过的偏振光在传播过程中偏振方向保持恒定，这种偏振镜又称为“线偏振镜”。线偏振镜的代号是POLARIZER、P.L、PL。

如果偏振光斜射到非金属表面，而且入射角等于或大于某个“临界角（一般非金属约在55°左右）”，则仅当光的偏振方向与表面平行时才能被反射（图1-3b，c），因此可以用偏振镜消除这种反射光（图1-3b）。但是自动调焦单反相机的测距系统都安装在反光镜箱的下部，通过镜头的光线要经过多次反射才能达到测距传感器上。一旦镜头前面安装了偏振方向不与反光镜平面平行的线偏振镜，则测距传感器将得不到光线（图1-3c），因而无法测距调焦。为此，在自动调焦的单反相机上应当优先使用“圆偏振镜”。圆偏振镜透过的偏振光，其偏振方向在传输中不停地旋转变化（图1-2c），仍能在反光镜表面反射，以保障自动调焦系统正常工作。圆偏振镜的代号是CIRCULAR PL、C-P.L、C-PL。

利用偏振镜的特性，我们可以判断偏振镜的质量。将两个线偏振镜叠合旋转，透明度将发生变化。若透明（偏振方向相同）时越亮，变暗（偏振方向垂直）时越暗，则偏振特性越好。可以用一片已知的线偏振镜判断未知灰色镜片的类型：若待测镜片两面与线偏振镜叠合均无偏振效应，则是灰镜；若无论哪面与线偏振镜叠合均有偏振效应，则是线偏振镜；如果待测镜片仅有一面与线偏振镜叠合有偏振效应，则是圆偏振镜，而且此时与线偏振镜叠合的表面应是圆偏振镜指向物方（前方）的表面。检验偏振镜时，除了要有明显的偏振效应外，还应注意在透过率变化过程中透过的光线不能有明显偏色。

光谱及其应用

不同波长的光有不同的颜色，将各种颜色的光按波长排列，形成光谱，其大致的分布规律如图1-1及彩图1与表1-1所示。由于光从某种颜色转换为另一种颜色的过程是连续变化的，并无明确的分界，因此表1-1也只是一个大概的范围。图中波长的单位是纳米（nm）。今后我们在研究人眼、感光胶片或光敏元件对色光的灵敏度、滤色镜的特性及镜头的色差等诸多问题中，还将频繁地接触与处理色光，因此必须牢记各主要色光所对应的波长，并熟悉彩图1及表1-1所示的光谱上各种色光按波长分布的规律。

下面让我们通过几个例子说明光谱分布对摄影人的重要性。

例1：人眼对不同色光的感受能力

图1-4是表示人眼对不同波长（颜色）光线相对敏感程度的曲线，称为人眼的光谱光视效率曲线，又称为“视见函数曲线”。从曲线中可见，在明亮的光线下，人眼对555纳米的黄绿光最敏感，而在暗光下，则对507纳米的青绿光最敏感。因此，在暗光下拍摄的彩色照片如果颜色轻微偏蓝，给人的印象更真实。无论在强光或弱光下，人眼对红光与蓝紫光线的灵敏度都很低，当光波的波长小于380纳米、大于780纳米时，人眼已经不能察觉（多数人甚至仅能感受420—700纳米的色光），因此分别称为紫外光与红外光。

在摄影中，一般的感光元件与通用的摄影胶片，对各种色光的敏感程度都必须与人眼的光谱光视效率曲线尽量接近，才能得到令人满意的结果。

例2：胶片的光谱灵敏度曲线与滤镜光谱透过曲线

图1-5a是全色黑白胶片的光谱灵敏度曲线，表示胶片乳剂对不同色光敏感的程度。从图中可见一般黑白胶片对蓝紫光线十分敏感，而对550纳米的黄绿光却不敏感，致使拍摄的景物中蓝天因曝光过度呈白色，绿树因曝光不足呈黑色，与人的视觉感受不同。因此，我们在拍摄中有必要使用黄滤镜或黄绿滤镜，它们对不同波长色光透过率的分布曲线（曲线越高表示该波长的色光透过越多）如图1-5b所示，称为滤镜的光谱透过曲线。使用这些滤镜之后，由于它们在短波端透过率很低，大量吸收了蓝紫光线，使到达胶片的蓝紫光线大幅度减少，令胶片所接受各种色光的比例（图1-5a中的虚线）接近人眼的视觉光谱效率曲线，压暗了蓝天与红色，提亮了绿树的影调，从而可以得到更为真实自然的黑白照片。

例3：光源的相对光谱能量分布曲线与光源校正滤镜

仅由一种波长组成的光称单色光，单色光呈现纯净饱和的颜色。我们平时所见到的光源所发出的光都是由多种色光组成，这种光称为复色光。人们用相对光谱能量分布曲线来描述一个光源中各种色光按波长分布的规律。摄影主要的自然光源——日光含有各种波长的光线，而且各种色光的能量比较接近（图1-6a），它的光谱能量分布曲线是一条连续平缓的曲线。多数人造光源光谱能量分布与日光不同，使被照明的物体呈现的颜色偏离日光下的色彩。其中有的光源（如白炽灯）光谱是连续的，有些（如荧光灯）则是不连续的（图1-6a）。我们也可以用各种滤镜消除人造光源过多的色光成分，得到接近日光照明的色彩效果。例如在白炽灯下用蓝色的雷登80A滤镜吸收多余的红光（图1-6b），得到近似日光的能量分布（图1-6a中的虚线）。我们也可以用荧光灯滤镜吸收荧光灯多余的黄绿光，但由于任何滤镜都无法完全吸收荧光灯突出的蓝光与黄光，因此用这种非连续光源很难精确模拟日光。

▼物体的颜色

光的颜色，物体的颜色，色光的本质，透明物体与不透明物体形成不同颜色的原因，同一个物体在不同色光之下形成的颜色……这些都是光学的重要内容，也是摄影人必须掌握的基本光学知识。由于本书未涉及这些内容，此处从略。感兴趣的读者可以参阅本系列丛书《摄影滤镜》第一章“滤镜的光学常识”相关内容。