飞机上拍摄到的彩虹?（图）

大清太平

下面这张图，是一个非常严肃的科学杂志上的获奖照片，它讲述的道理是一种双折射现象。有空可看看解说 http://www.newscientist.com/gallery/dn15093-eureka-prize-for-science-photography-2008/3 飞机中所看到的偏振彩虹，和平常所见由于水滴的类似棱镜折射而产生的彩虹锥，是不一样的东西。 这里需要考虑飞机窗的光学性质。这不是普通的玻璃窗，网上有材料说，是一种类似“三夹板”构成的复合材料， 每层的光学特性不同，尤其在一定条件下对光线发生各向异性，线偏光入射后，分成 偏振垂直、相位不同的两束光，如果相机的镜头加了偏振片，就可能出现两束光干涉的情况， 产生彩虹效果。 这里有个博客专门讲这个道理：http://bzhang.lamost.org/website/archives/polarized_rainbow/ 具体到被讨论的这个照片，所表现的一些光线特性，可以说明这个图的真实性。 比如，正对太阳的地方就没有彩虹，是因为在这个方向上，光线仍然是自然光，没有双折射。 而偏离这个方向越多，偏振产生的彩虹越显著。那个图非常符合这个原理。 要取得这样的飞机上的彩虹照片，确实是不难的，我本人拍过几次，我使用单反相机， 镜头是比较小的焦距（广角），镜头上有圆偏振片。我相信三文兄也拍到过。有时候我要拍地面目标， 这些彩虹老挡在那里非常烦人。只是它们没有帖子中的那个图极端化，可能和角度有关，和偏振 片的取向以及镜头焦距有关；这些仔细考虑后，是可以解释清楚的。我拍的都是太阳不在相机视场的振片。 参看：【我行我秀】云河啊云河！（图） 大清太平® (3751 字, 点击894次) 2009-12-19 14:36:44  www.ddhw.com     本贴由[大清太平]最后编辑于：2014-1-26 12:24:5   www.ddhw.org---

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1- 对的，我觉得那个右边中间的彩虹看起来汇聚的白圆圈是太阳。我说这个图的真实性，是就彩虹走向与位置而言，图的色彩饱和度、对比度，一眼看不出变化，后期是完全可以调整的。 2- 对的，这不是普通的由于光线经过水滴发生类似三棱镜折射而在肉眼中可以看到、在相机中可以拍到的彩虹。 这种飞机彩虹更容易在相机中拍到，人眼在合适的角度与环境下也能看到（下回坐飞机留意下，往往在窗户边缘容易出现花纹）。但是，你站在飞机之外，不通过这个飞机窗，你看不到。要肉眼不借助任何材料而看到那个照片中的样子，应该是没有可能。当然，我们寻常所见的水滴三棱镜彩虹，飞机上也有机会看到和拍到，只是和我们这里说的彩虹是不一样的原理，样子也不同。 我的帖子中只是基本原理，没有交待清楚的最重要的细节是，这样的窗口最终发生双折射的条件，取决于我不了解的舷窗材料特性。有可能不同的飞机姿态甚至飞行高度（也就是外部温度和压力状况），是舷窗的中间还是和机身连接的边缘，材料内部会有应力上的差别，造成不同的光学特性。双折射本身不是个神秘的东西，我的第一张图就是要去掉它的神秘色彩。 当然，我也不是砖家，给的是分析意见而不是答案和结论，抛砖引玉供大家讨论。 www.ddhw.com     本贴由[大清太平]最后编辑于：2014-1-26 2:25:41   www.ddhw.org---

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难估计！因为这是个多变量函数，这其中的变量有： 1，入射光。正对太阳方向的是自然光，而偏离这个方向的其它光，是由于天空粒子漫反射引起，而其中瑞利散射引起的偏振光，一般说越偏离太阳方向，偏振度越大。所以大致说，越偏离太阳方向，越有利形成我们最终看到的彩虹。我就帖子中那些有彩色光带的照片，印象中，都是基本上远远偏离太阳方向。 2，舷窗材料的光学特性，能产生双折射的能力，可能是个变动很大的因素。 3，镜头前偏振片的取向。旋转这个偏振片，干涉的图样会有变化的。 4，镜头的光学特点，对最终在相机上的成像肯定很重要。在短焦距（广角）的情况下，更容易接收到远远偏离镜头轴向的入射光，也容易让拍到的图像在相机成像屏幕上出现畸变，在照片边缘出现怪异的图案的可能性大大增加。 www.ddhw.com   www.ddhw.org---

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没太明白你的意思。但你估计的图片中云的视场，相对于相机的张角3°，这个估计和我想的差不多。 然后你说到小的张角下，彩带（用这个名字好！）如何影响云层图像，等等表述，我没太明白。 我们所看到的是两个图像的叠加。 第一是云和太阳图样，是正常的不通过双折射等过程产生的（显然，这些来自于云的光线，来自于右侧太阳的直达光线，它们的偏振态或者入射角度，不满足我说的形成彩带的条件）。你说的3°，就是这类光线的张角。 第二是彩带，它们所以形成，是偏振光线干涉的结果。而这些光线，它们的入射方向，和构成云层图样的入射光线，是不一样的（如果一样了，就不能形成彩带了）。它们要经过偏转偏折，波动干涉，才进入相机。因此，它们相对于相机的张角，就完全不一定是刚才的3°了。你从照片中彩带的几何尺寸，是无法简单判断那个张角的。 最后，这个照片本身，我想是采取了比较特别的拍摄角度、偏振片角度和镜头等组合方式，才出来那样的效果。肯定是不多见的图样，否则怎么能被选来“得奖”呢。但这些是我瞎说的。 www.ddhw.com   www.ddhw.org---

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“太阳上不同发光点以各种不同的微小偏角 。。。”，应该换个说法。实际情况是这样的： 从太阳直达相机的，我们可叫直射，是自然光。而真正对我们的问题起作用的不是这样的自然光，而是偏振光。它们是来自太阳的直射光子，照到无数空气粒子后，经过曲曲折折多次散射，形成各种不同方向的散射光，进入人眼（所以我们在地球上能看到明亮的天空甚至蓝色天空，而月球上看不到天空）。这些偏振光的方向是四面八方，哪个方向都有（所以我们在哪个方向都能看到天空）。而我们看到的干涉条纹，并不是任意方向的偏振光都参与了产生条纹的过程，只有相位差恒定的、频率一样的相干光波才产生干涉。下面是干涉光源S1和S2产生干涉的过程。有意思的是，叠加后增强的的点形成一个辐射状分布(并指向某个中心点）。近场（靠近光源）的地方，条带窄，远场条带宽。是不是和我们说的那照片有点像？当然我这里是个平面图而已。 目前我能做到的，就是这些基本概念和原理性描述。这些是大学物理的光学/电磁学/电动力学方面的内容，加了些我自己针对本问题的自由发挥（便于初次接触这些知识的人们理解），各位如感兴趣请去阅读下教科书的严谨描述吧。具体到这个照片的细节的东西，还有些比较专门的知识，比如材料的双折射问题，相机问题等，我也一知半解。留待大家突破自己，全面思考吧，过早盖棺定论就失去了探索的乐趣。 写得太长，我的答复希望到此为止。强调一下，我只是给出讨论意见和思路，这个思路也可能需要修订完善，甚至推倒重来。 最后感谢lili非常有价值的思考。 http://www.newtone.fr/en/images/interference_young.jpg www.ddhw.com   www.ddhw.org---

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lili客气了，“请教”谈不上哈。 我感觉质疑那几个泡泡是有道理的。一般情况下（尤其抢拍），作为俺这样的业余爱好者， 泡泡出来的大部分没那么圆。此外泡泡应该较背景明亮；图中的泡泡最左边那个大的，和背 景的云融合在一切了，似不多见。 但仅仅就图中的“彩虹”而言（也是本贴标题所暗示的题意所在），我还没想到自己能信服 的理由说，那样的“彩虹”在科学原理上是不可能出现的。 您有关偏振彩虹形成原因的有关疑问，我有空再答复哈，抱歉了。 www.ddhw.com   www.ddhw.org---

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当然，如果就事论事，就这张照片是否PS的问题而言， 第一，至少目前看，在“泡泡”部分是值得怀疑的。 第二，图片中“彩虹”的样子，在基本原理上如果行不通，当然可以说明是后期PS的图； 困难的地方在于，如果原理上行得通，当然也不能保证图本身就一定没有PS。打个比方， 俺的个人照片和爱因斯坦的个人照片都是真的，但把它们拼在一起的新照片，造成俺与 爱因斯坦的合影，这就是假的了。很显然，判断一张照片是假很容易，只要找到一两个破绽 就可以了，而证明它是真的，那却非常不容易。 www.ddhw.com   www.ddhw.org---

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偏振光“彩虹”，肉眼不借助东西，是看不到的。因此较少为人所知，自然环境中也较少被拍到。和云并没有直接关系。 简单地说，入射光必须是偏振的（天空中大部分漫反射光线是），光线透过的窗户是双折射的（飞机舷窗），出射光需要经过偏振器（单反相机镜头前常用），最后才能发生由于干涉产生的彩带现象。因此，一般在飞机上用带偏振镜片的单反相机，很容易拍到。问题是，是否恰好能凑到那个图的样子。 在某些方向不容易出现干涉，比如沿着太阳的方向（因为这些直射的光线近乎自然光，偏振度很小）。 我有个回复中提到的“扇形”，并不是指那个示意图中干涉场出现的由左到右的范围，而是指示意图中，每个单独的明暗干涉条纹，是扇形分布。该示意图只是基本原理，并不是实际情况；实际情况下的那2个点光源是不存在的，而是有一定空间分布的光源。最后，您所提的“指向光源的彩条”，除了上面说的某些方向上不出现干涉的可能性外，还有一种可能性，我打个比方来描述：我给您拍照，您的背后有颗树，我可以变换角度，使得树可以看起来在您的左边或者右边或者上边，是一种构图的效果。 www.ddhw.com   www.ddhw.org---

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关于（1）、（4）、（5）有关偏振的问题： 太阳光为自然光，进入大气层后，经过微粒散射（前向散射、后向散射）后，出射光的偏振态上不再是自然光而一般都是偏振光。一般来说，经过多次的散射后，在偏离原入射光方向上，偏振度较大。 而在太阳的直射方向上，含有更多的偏振态没受到改变的（无偏振自然光）部分（证据是这个方向上的光强，和其他方向比，最大，可见漫反射所起的贡献相对小，偏振度小）。偏振度的定义是偏振光的强度与总的光线强度之比。线偏振是偏振度为1的光，是指光波的电场分量只在某一固定平面内振动。 在其他方向上，有大量的由于反射、折射、漫反射导致的偏振光，它们能直接进入相机、人眼，使得我们能看见我们周围的世界。 （2）是个很好的问题。偏振态对于“光波干涉”之所以重要，是因为不同的偏振态下，电场矢量的空间方向不一样。如果两束光的各自电场的振动平面是重合的（总在某一固定平面之内），因此在恒定相差的情况下，叠加后出现增强或者抵消，导致特征性的明暗条纹。如果两束光，它们电场的振动平面为互相垂直，在交汇点它们的合成矢量，很可能并不总能在特定的空间上有规律地增强和抵消，无法形成明暗干涉条纹。这是光波干涉和水波干涉非常不一样的地方。水波的振动方向是上下的，已经是天然的“线偏振光”了。设想一列波为上下振荡，另外一列是左右振荡，这是没法出现稳定的干涉的。双折射是指一束光进入介质后会分裂成两束不同属性的光。它们不一定总是干涉光；但在一定条件下，它们可能是干涉光，出现彩带。 （3）那个图是网上找的，猜想是计算机作图，按理说很简单的编程就能实现，不需要做任何近似处理，还真不清楚您说的局部近似是怎么出现的 。   www.ddhw.com     本贴由[大清太平]最后编辑于：2014-2-9 22:55:51   www.ddhw.org---

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好的，明白您的意思了。下面图也是网上搜来的，地址如下：  http://yuezhongmian.blog.sohu.com/189064335.html http://1822.img.pp.sohu.com.cn/images/2011/10/27/19/7/u11338615_13402d2b578g213.jpg 令人感兴趣的是：（1）如果观察屏幕何纸面垂直，放在最上方，或者最下方，看到的便是明暗干涉条带（明条纹对应 图中灰色，暗条纹对应黑色），屏幕中间地带，条带密集，屏幕两侧，条带间隔宽。这是众所周知的典型的干涉图样。 （2）如果观察屏幕不是和纸面垂直，而是有一定夹角（甚至平行），会出现什么样的图案呢？我想 答案是取决于两光源的“形状”。如果是两个点光源，和（1）结果无异；如果是两个有一定尺寸（更符合实际）的 柱形光源呢。。。。。。 www.ddhw.com   www.ddhw.org---

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这是吉林大学的光学教材，我们所需要的基本原理都在那里。  http://cc.jlu.edu.cn/G2S/Template/View.aspx?courseId=34&topMenuId=115186&action=view&type=1&name=&menuType=1&curfolid=115282 这个是比较完整的示意图。取自于该教材4.3节。大学光学中有很多类似这样的实验。 P1:起偏器（类似地，太阳光经过散射也能产生偏振光） I:劈尖形分光器 （飞机舷窗双折射可起类似作用） P2:起偏器（单反相机镜头前的偏振片起类似的作用） 我提供的解释，都是围绕这三大“器件”进行的，那位Bo Zhang的解释，也一样的思路。 我唯一提请大家注意的问题是，我上面答复中提到过的“点光源”还是“柱光源”问题。 —— 最后，本人觉得这些讨论，涉及到的光学内容有点不够大众化， 也许不适合在这个论坛继续展开了。也顺便答复“摄影之友”朋友，并感谢lili替我圆场， 我第一个回复中标题用到的“应该”，确实是一种有一定倾向性的揣测语气，如果我把 “应该”两字拿掉，您再读读，那就是肯定语气了。后面我也提到了，而且也再次重申： “我也不是砖家，给的是分析意见而不是答案和结论，抛砖引玉供大家讨论。” lili和其他朋友提供的有关PS的分析，我认为有各自的道理，我不质疑。 我最大的目的，恐怕是想说明，这种样子的彩带不是能一眼就断定其没有存在的科学依据， 并向大家分享我所了解的大学光学课程中一个有趣的现象。 www.ddhw.com   www.ddhw.org---

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不是不锈钢，是塑料的（那个链接中，图注有说明）。双折射是“折射”，是要进出塑料餐具内部的。 我现在不清楚的是，光源是在纸面后面呢还是前面；如果是前面，反射过程会参与，如果在纸面后面，反射就不一定参与了。 www.ddhw.com   www.ddhw.org---

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我用的"辐射状发布“、”中心点”等，也许字面上说不严格，但表示的现象就是，从某些角度看，条带不是等宽的，靠近光源 的地方窄，远的地方宽。看起来像个发射状。 我提到纸面、屏幕，是在讲这个干涉场，从哪个角度观看的问题。“屏幕”指观测屏幕，条带的投影平面。展示光学实验效果的屏幕。 而“纸面”，是指示意图所在平面。 关于有多组（一组指一套完整色彩）图案的可能性，理论上说，肯定是应该有多组，这个我没有问题。 www.ddhw.com   www.ddhw.org---

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我的描述比较侧重于物理概念，您对准确的数学图像抠得严格 我提到的“中心点”意思其实非常简单，是单个辐射状图形的汇聚点（说顶点、汇聚点也许就不会误会了）。而各个辐射状的汇聚点，如您说言，位于两光源之间的那条连线上。如果观察者从很远的并且偏离中心线（两光源之间连线的垂直线）的地方观察，视觉上，会感觉到每个条带都最终聚焦在两光源之间的那片中心区域，当然这不是很严格的数学图像。 看来我用的“屏幕”“平面”的说法把您弄糊涂了。还是用下面这个图比较容易些： “屏幕”，是指最右下边的带有条带的那个物件。注意，按照图中的设置，它和其它物件看起来是平行的。是观看干涉场的探测器。在“屏幕”的位置上，也可以放照相机。“纸面”，是指和这个“屏幕”垂直的并穿过尖劈中心的平面。 在“屏幕”的位置上，照相机。干涉场是“各向异性”的；并且两个理想点光源形成的干涉场又和非点光源形成的干涉场是很不一样的。我们能看到什么，完全取决于屏幕替我们做盲人摸象，因此原则上说，我们可能看到的图像远比众所周知的那几个平行条带，复杂得多。具体说，取决于我们所设置的“屏幕”的下面特性： 1，尺寸大小，几何形状。比如小屏幕时，也许只能看到局部的少量的光带。 2，屏幕的位置取向，是近场还是远场，是中心轴方向，还是其两侧。在两侧、远场的情况下，多见弯曲的光带。 3，屏幕平面相对于图中与其他物件平行面的倾斜以及偏转角度（用雷达的语言，叫方位角和仰角）；换成照相机的话，镜头平面是垂直于中心轴，还是向下向上，向左向右。如果要看到那种辐射状的条带，下图屏幕的位置和角度，显然是不行的。 4，如果是照相机镜头的话，镜头的光学特点，拍摄使用的焦距等因素，又对上面1，2，3因素产生影响，大大提高了问题的复杂性。   www.ddhw.org---