“大海是什么颜色？”几乎一切人都市回复“蓝色”。的确，除了偶尔会被天涯倒映的日出或落霞染上一抹火红，在天气明朗的情况下，我们看到的大海都是湛蓝的。
那么对否有什么神奇的“邪术”，可以让大海不再展现蓝色，变得如下图五彩斑斓呢？
（图片来自网络）
很多人看到这幅照片的第一反响是，“一定是PS的”。但实践上，这并不是依托电脑殊效才干制造出的“假照片”，而是实真着实拍摄到的天然征象。不少网友在乘坐飞机的历程中，也都以前拍摄到相似的壮丽情形，如下图。
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但是这并不是什么电脑特技，而是有着坚固物理学原理支持，这就是小编今天为各位先容的“光学邪术”——偏振成像。
揭秘偏振成像
我们都晓得，可以把光当作一种“波”。我们所说的“波”通常可以分为两类，一类是“纵波”，指的是局部物质振荡朝向与转达朝向平行的波，比如我们熟习的声波。
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而光波属于别的一类，“横波”。用手挥动绳子时，产生的“绳波”就是典范的横波。横波转达历程中，物质（比如绳波中的质点或光波中的电场等）局部振荡朝向与转达朝向互相垂直，这个特别的振荡朝向，就是横波的“偏振”朝向。
（图片为便宜）
横波的偏振朝向可以经过“检偏器”检测出来，比如关于绳波来说，我们可以制造下图所示的“狭缝”来检测偏振朝向。当“检偏器”朝向（即狭缝朝向）与绳波偏振朝向一律时，绳波可以很顺遂的经过；但“检偏器”朝向与绳波朝向互相垂直时，绳波无法经过。光学上也有相似的“检偏器”，叫做“偏振镜”，可以让特定偏振朝向的光波经过，只是原理会繁复一些，但后果上与检测绳波振动朝向的狭缝是一样的。
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我们在影戏院看3D影戏时，事情职员会给我们一副“大墨镜”，但是就是偏振镜。支配两片镜片允许经过的光的偏振朝向恰好互相垂直，云云一来，支配眼就可以分散看到不同的图像，产生剧烈的平面感了。
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并不奥秘的海面光反射
日凡人眼看到的光，如太阳光，各个朝向上偏振的光强基本一律，没有分明的偏振朝向，我们称为“天然光”。水面临太阳光的反射有一定的偏振选择性，某些偏振朝向反射的多，某些偏振朝向反射的少，广袤海面反射的太阳光就会成为局部偏振光（此历程可以经过菲涅尔方程举行严厉定量盘算）。为了便利各位了解，我们可以将各个偏振朝向依照光强画成不同长度的箭头，原本的“天然光”各个偏振朝向光强相称，可以表现为“圆形”；反射的局部偏振光中有些朝向光强较强，有些朝向光强较弱，可以表现为“椭圆形”，就如下图所示。
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关于水面反射的局部偏振光，当“检偏器”朝向与反射率更高的偏振朝向一律时（比如上图中反射光椭圆的谁人“长轴”朝向），反射光可以最大限制地经过，反之则会被最大水平减少。比如在景色拍照中，为了可以变小水面反射光的干扰、更明晰地拍摄水底，拍照师屡屡会携带一块“偏振镜”，存心把朝向旋转到反射的局部偏振光的“短轴”朝向，古迹般地过滤掉水面的反射光。
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更故意思的是，由于海水存在一定的色散（折射率在不同波长有差别），即使是在占主导的偏振朝向上，不同波长光的反射率也会存在一定差别，反射率最高的谁人波长会成为“主波长”（Dominant Wavelength）。随着入射光角度i的厘革，主波长也会产生偏移。上世纪六十年代，就有学者以地中海为例，研讨了20℃情况下反射光主波长随着入射角厘革曲线。
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使用装备偏振镜的相机举行拍摄时，假如反其道而行之，旋转调停偏振镜朝向，可以最大水平减少其他光源，让水面的反射光最大水平进入拍照体系（将偏振镜朝向旋转至椭圆“长轴”朝向）。从外表的曲线图可以看出，反射光中的主波长会随着入射角度的厘革而厘革，不同主波长则对应着不同的颜色。广袤海面上展现梦境般五彩斑斓情形，就是这个原理。
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偏振成像用处大
偏振成像是一种光学中常用的武艺伎俩，用来探测平凡相机难以发觉的物理征象。
比如在遥感武艺中，由于不同植物叶片、不同矿物等会展现不同的偏振特性，因此可以经过偏振遥感武艺对植物品种、长势举行大范围观察，也可以举行帮助矿物勘探等。
天文学中偏振成像也十分紧张，比如太阳大气的丈量。太阳大气会在磁场作用下产生光谱崩溃，其谱线偏振态就与磁场强度直接干系，因此可以使用偏振成像武艺对太阳大气举行高精度及时磁场丈量。中科院光电武艺研讨所迩来刚刚研制告捷的我国首套2米级太阳望远镜，就在使用这项武艺举行紧张研讨事情。
再好比很多纯透质料——如玻璃、塑料等——在冷却成型历程中会产生应力，一些特定地点则会显现较强的应力积累，这也将会是质料最脆弱的场合。但由于质料本身是纯透的，以是难以直接察看。而应力会改动质料的偏振特性，因此经过偏振成像可以便利地察看器件的应力分布，如下图中美丽条纹厘革越剧烈的地点，代表应力积累越严峻。
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再举个例子来直观分析一下偏振成像的威力吧。生存中我们偶尔会听到石油泄漏的讯息，讯息的配图屡屡是大片大片黑乎乎的石油浮在水面上，这给我们形成了一种错觉，仿佛石油浮在水面上好坏常容易发觉的事变。实践上，这是泄漏十分严峻才会显现的情形，当石油管道或储油罐刚开头产生泄漏时，只会在水面上漂泊薄薄的一层油膜，仅依靠视察觉看是很难发觉的。但由于油和水反射光的偏振特性相去甚远，因此有了偏振成像武艺，哪怕只是薄薄的油层，也可以很快发觉。下图就是一个演示实行[正文3]，比力厚的油层（左侧）在平凡察看下就很显眼，而右侧较薄的油层几乎看不到；但无论油层是厚是薄，在偏振相机中，都体现为分明的玄色。
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送你5个小tips，把大海拍的五彩斑斓
水面反射产生的局部偏振光中，固然存在反射率最高的“主波长”，但其反射率比其他波长高不了几多，只是一种十分单薄的占优效应，这点上风很容易被情况中其他光源遮掩。以是即使主波长随角度厘革是客观存在的物理征象，但察看到这种征象也并不容易。要想拍摄到五彩斑斓海面，捕捉这种物理征象，必要具有如下的几大要素：
起首，天气明朗。明朗天气下太阳光源富裕，并且基本可以视作平行光。
第二，要对尽力大的范围举行拍摄。假如是小范围水面，那么水面稍微动摇等情况影响会远宏大于反射光中主波长的影响。而对大范围海面拍摄时，则会展现相对均匀化的后果，变小其他要素干扰。从飞机上举行拍摄，就是个不错的选择。
第三，拍摄时太阳高度要在25°-60°之间，最好位于30°-55°之间。
第四，为相机装备偏振镜。
第五，运气要充足好。就算万事俱备，但海面忽然起了奇异的风，掀起了白色浪花，或是目标拍摄地点忽然飘来了大块云朵，那就中途而废了。
参考文献：
1. Pandolfo J. Polarization of sunlight reflected from the sea surface[J]. Journal of Geophysical Research, 1962, 67(11): 4303-4307.
2. Chenault D B, Vaden J, Mitchell D, et al. New IR polarimeter for improved detection of oil on water[J]. SPIE Newsroom, 2018.
原标题：让大海变得五彩斑斓的“光学邪术”丨流光E彩
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