太阳什么的什么的填空
人们通常认为，“大海是什么颜色？”这个问题的答案就是“蓝色”。确实如此，除了偶尔被天边映照的朝阳或晚霞染上绯红色，在晴朗的天气下，我们看见的大海都是蔚蓝的。
那么，是否存在某种神奇的“法术”，让大海不再呈现蓝色，而呈现图中所示的缤纷色彩呢？
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不少人初见此图，第一反应是，“这肯定是用PS制作的”。这并非依赖电脑特效合成的“假照片”，而是实实在在拍摄到的自然奇观。许多网友搭乘飞机时，也拍到了类似的壮丽景象，如下图所示。
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这并非什么电脑特技，而是有着深厚的物理学原理支撑，这就是我今天将介绍的“光学魔术”——偏振成像。
揭秘偏振成像
我们知道，光可以被看作一种“波”。通常，“波”可分为两类：纵波，局部物质振荡方向与其传播方向平行的波，如常见的声波；横波，属于另一类，指的是光波传播过程中，物质（如绳波中的质点或光波中的电场）局部振荡方向与其传播方向相互垂直，特殊的振荡方向称为波的“偏振”方向。
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纵波与横波振荡方式示意图
（图片为自制）
横波的偏振方向可以通过“检偏器”探测，如对于绳波，可将狭缝设计为如图所示，用来检测偏振方向。当“检偏器”方向（即狭缝方向）与绳波偏振方向一致时，绳波可顺利通过；而当“检偏器”方向与其偏振方向垂直时，绳波无法通过。光学上也有类似“检偏器”，称为“偏振镜”，能滤过特定偏振方向的光波，原理与用于探测绳波振动方向的狭缝类似，只是较复杂。
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检偏器原理示意图
我们在电影院观看3D电影时，工作人员发放的“墨镜”，实际上就是偏振镜。左右片镜允许通过的光的偏振方向正好相反，如此一来，左右眼可分别看到不同的图像，产生强烈的立体感。
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3D电影眼镜偏振滤镜原理示意图
海面光反射并非神秘
人眼所见普通的光（如阳光），其不同方向偏振光的强度基本一致，没有明显的偏振方向，我们称为“自然光”。而水面对太阳光的反射有一定偏振选择性，即某些偏振方向反射较强，某些方向反射较弱。广阔海面反射的阳光便成为部分偏振光（此过程可用菲涅尔方程严格量化计算）。为便于理解，我们可以用不同长度的箭头表示不同偏振方向的光强，原本的“自然光”由于各偏振方向光强相等，可表示为“圆”；反射的部分偏振光因部分方向光强较强，部分方向光强较弱，可表示为“椭圆”，如下图所示。
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各偏振方向光强对比示意图
对于水面的部分偏振光，“检偏器”方向与反射率更高的偏振方向一致时（如上图反射光椭圆的“长轴”方向），反射光能够最大程度地通过，反之则会被最大程度削减。例如，在风光摄影中，为了减少水面的反光干扰，更清晰地拍摄水底，摄影师往往会携带一块“偏振镜”，故意将其旋转至反射的部分偏振光的“短轴”方向，奇妙地过滤掉水面反光。
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偏振镜在风光摄影中的应用
更有趣的是，由于海水存在一定的色散（不同波长的折射率不同），即便是在优势的偏振方向上，不同波长的光的反射率也会略有差异，反射率最高的波长会成为“主波长”（Dominant Wavelength）。随着入射光角度i的变化，主波长也会发生偏移。早在20世纪60年代，就已有学者以地中海为例，研究了20℃时反射光主波长随入射角变化的曲线。
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入射角与反射光主波长关系曲线
当使用配备偏振镜的相机进行拍摄时，逆向旋转偏振镜的方向可最大程度减少其他光线，让水面的反射光最大程度进入摄影系统（将偏振镜方向旋转至椭圆“长轴”方向）。上图曲线显示，反射光的主要波长随入射角而变化，不同波长对应不同颜色。广袤海面呈现梦幻般的五彩斑斓景象，正是基于这一原理。
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偏振成像的广泛应用
偏振成像是一种在光学中广泛使用的技术手段，用于探测普通相机难以察觉的物理现象。
例如，在遥感技术中，由于不同植物叶片和矿物的偏振特性各异，因此可以通过偏振遥感技术大规模调查植物种类和生长状况，还可以进行矿物勘探等。
在天文学中，偏振成像也十分重要，例如太阳大气的测量。太阳大气会在磁场作用下产生光谱分裂，其谱线偏振态与磁场强度直接相关，因此利用偏振成像技术可以对太阳大气进行高精度实时磁场测量。中国科学院光电技术研究所最近研制成功的我国首套2米级太阳望远镜，正利用这项技术开展重要研究工作。
许多透明材料（如玻璃、塑料等）在冷却成型过程中会产生应力，特定位置会出现较强的应力积累，也是材料最脆弱的地方。由于材料本身是透明的，难以直接观察。应力会改变材料的偏振特性，因此可以通过偏振成像方便地观察器件的应力分布，下图中彩色条纹变化剧烈的区域表示应力积累严重。
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再举一个例子直观展示偏振成像的效力。生活中，我们偶尔会听到石油泄漏的新闻，新闻中的配图往往是大片大片黑乎乎的石油浮在水面上，这让我们产生一种石油浮在水面上非常容易发现的错觉。事实上，这是泄漏非常严重才会出现的景象。当石油管道或储油罐刚开始发生泄漏时，水面上只会漂浮一层薄薄的油膜，仅凭视觉观察极难发现。但由于石油和水的反射光偏振特性相差甚远，有了偏振成像技术，即便是薄薄的油层，也能迅速发现。下图是一个演示实验[注释3]，较厚的油层（左侧）在普通观察下就很显眼，右侧较薄的油层几乎看不到；但无论油层厚薄，在偏振相机中都显示为明显的黑色。
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拍出五彩大海的5个小贴士
在水面反射产生的部分偏振光中，虽然存在反射率最高的“主波长”，但其反射率并不比其他波长高太多，只是一种非常微弱的优势，很容易被环境中的其他光线掩盖。即使主波长随角度变化是客观存在的物理现象，但观察到这种现象也不容易。要拍摄到五彩斑斓的海面，捕捉这种物理现象，需要具备以下几大要素：
天气晴朗。晴朗天气下阳光充足，基本可以视作平行光。
进行大范围拍摄。如果拍摄的是小范围水面，则水面轻微波动等环境影响将远大于反射光中主波长的影响。而对大范围海面拍摄时，会呈现相对平均化的结果，减少其他因素干扰。从飞机上进行拍摄是个不错的选择。
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，为相机配备偏振镜。
第五，运气足够好。即使万事俱备，但海面突然起了奇怪的风，掀起了白色浪花，或者目标拍摄位置突然飘来了大块云朵，那么之前的努力都将前功尽弃。
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“光学魔法”丨流光E彩
