「手繪物理小課堂」之薄膜幹涉——為什麼攝像機鏡頭呈現淡紫色?

2020-12-08 小智ST實驗室

雖然現在智慧型手機擁有強大的拍照和攝影功能,但是真正的攝影愛好者依然使用著專業的照相機或者攝影機。這些專業設備往往價值不菲,其加裝的鏡組價格更是令人咋舌。

專業鏡頭有很多種類別,各有不同功能。但是,若我們稍稍留心觀察一下就能發現,它們在陽光下會呈現出絢麗迷人的色彩。其中,最為常見的是一種淡紫色的光澤。

鏡頭表面常常呈現一種淡紫色的光澤

之所以會產生這種現象,是因為人們特地給鏡頭表面鍍了一種膜——增透膜。增透膜可以增加進入鏡頭光線的強度,從而得到更高質量的拍攝效果。

增透膜利用的是薄膜幹涉原理,在削弱鏡頭表面反射光的同時,增強透射光。在高中階段,我們學習這方面知識時,需要注意到以下幾個問題。

一、相干光源

增透膜的相干光源是同一列光在其前、後表面的反射光線。由於來源相同,兩列反射光線的頻率相同、步調一致。根據波的幹涉原理,對於步調一致的相干光源,當其光程差為半波長的偶數倍時,相互加強;當其光程差為半波長的奇數倍時,相互減弱。

增透膜基本原理

二、增透膜的厚度

我們需要削弱兩列反射光的強度,則應讓它們的光程差為半波長的奇數倍。如圖,由於光線(近似)垂直射到鏡頭前表面,其後表面的反射光線比前表面的反射光線多走一個來回,因此,光程差為增透膜厚度的兩倍。當光程差又等於半波長的一倍時,增透膜的最小厚度則為波長的四分之一。

在這裡需要特別注意的是,該「波長」指的是光在增透膜內的波長,而不是在真空(或空氣)裡的波長。

三、增透的本質

光作為一種電磁波,是具有一定能量的。根據能量守恆定律,反射光能量和折射光能量之和等於入射光的能量。當兩列反射光的能量因相干而減弱時,折射後進入鏡頭的光線能量相應的就會增強。

(在高中階段,我們可以暫不考慮多級反射和相關量子理論問題。)

四、增透的對象

自然界的可見光以黃綠色為主

由於在自然界,可見光中的黃綠光成分最多。因此,為了增加透射光線的能量,我們在鏡頭表面鍍上的增透膜應該以黃綠光波長為參考標準。又因為黃綠光的波長較長,而紫光的波長較短,當增透膜削弱黃綠光的反射光線時,就不能同時削弱紫光的反射光,甚至在某些條件下,還會增強紫光的反射光。所以,我們才經常會在鏡頭表面觀察到淡紫色的光芒。

除了鏡頭表面,增透膜的應用還有很多。例如與我們生活密切相關的物品——眼鏡。很多時候我們可以看到眼鏡表面呈現一些紫色、藍色或者綠色的反射光線,其原因就是其表面也被鍍上了一層增透膜。另外,登山或滑雪運動員使用的雪地眼鏡還被鍍上了一層增反膜。顧名思義,增反膜的作用與增透膜相反,它通過增強照射到眼鏡表面光線的反射光,來削弱透射光的強度,以保護運動員的眼睛,不受雪盲症的侵害。

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