水下照相中的光学原理.pdf

第 37 卷第 1 期2024 年 1 月镇江高专学报Journal of Zhenjiang CollegeVol.37 No.1Jan.,2024水下照相中的光学原理孙海萍1,邵 云2(1.南京市文枢初级中学 初二年级组,江苏 南京 210006;2.南京晓庄学院 电子工程学院,江苏 南京 211171)摘 要:简要介绍关于水下照相的相关光学知识,着重阐述平面镜头罩、球面镜头罩下的水下照相机制,揭示两者的区别,同时展示光学知识在水下拍摄中的实际应用,彰显物理知识对认识世界的重要性。关键词:水下照相;平面镜头罩;球面镜头罩;虚像;全反射中图分类号:O439文献标志码:A文章编号:1008-8148(2024)01-0082-05收稿日期:2023-04-14基金项目:江苏省教育科学“十三五”规划课题(D/2020/01/55)作者简介:孙海萍(1978),女,江苏南京人,二级教师,主要从事初中物理教学研究;邵 云(1973),男,江苏镇江人,讲师,主要从事力学、热学教学研究。为通信作者。大多数人通常比较熟悉空气中的照相及其相片特征,可能不甚了解水下照相及其相片特征,其实水下照相蕴含众多光学知识。1 水下照相的光学知识 水下拍摄时,除了少数特定的防水相机(如图 1所示)外,大多数相机必须罩上相对坚硬的防水壳,如图 2 所示,其中还附加 2 个互相垂直的高光强LED 闪光灯,以备水下光线太弱时使用。如果同时拍摄水面上、下景物,还需要在镜头前安装偏振滤镜,以过滤来自水面和天空过多的偏振光线,压低亮度,提升所拍摄景物的对比度、色彩的饱和度1。由文献1可知,来自水面的反射光线常常有 50%及以上的线偏振性,特别是入射光的入射角接近布鲁斯特角 arctan4353.1时。图 3 为未使用(左)和使用(右)偏振滤镜的照片对比图。图 1 防水相机图 2 水下相机、防水壳及高光强 LED 闪光灯图 3 未使用(左)和使用(右)偏振滤片的照片对比图单反相机的镜头可更换,防水壳的前端必须能安装各种造型的镜头2。镜头防水罩一般通过嵌入式或螺纹式卡口安装在相机防水壳的前端。其中,平面镜头罩(图 4)适用于微距和标准镜头2,多呈圆柱形;球面镜头罩(图 5)专门为广角镜头和鱼眼镜头设计,可拍摄较大范围的水下景物,避免平面镜头罩因水下入射光全反射而产生视野盲区。如图286 所示,水下使用平面镜头罩拍摄产生的视张角至多97.2,即全反射临界角 48.6=arcsin34的 2 倍。图 4 水下平面镜头罩图 5 水下球面镜头罩图 6 水下使用平面镜头罩拍摄的视张角水下拍摄必须考虑水对可见光的吸收。通常水对长波长光线如红光、橙光的吸收能力较强,其中红光大约只能穿透 3 m 的水层2,水下稍远处的物体多呈现蓝色、青色、青绿色(参见图 7 12 色相环,其中青色为红色的对角色也即补色)。使用高光强LED 闪光灯可弥补水下物体在显色上的损失。图 7 12 色相环另外,拍摄水面分割照片(如图 8 和图 9 所示)时,因水面上、下的光线强度不等,可使用渐变滤片1,或者后期的 HDR 处理技术3,以降低水上曝光,同时增强水下的景物呈现度。图 8 水面处分割拍摄照片(近景)图 9 水面处分割拍摄照片(远景)2 平面镜头罩下的水下照相 平面镜头罩下的水下照相与头戴泳镜的水下潜泳者朝前看到的景象基本一致(注:潜泳者可通过泳镜侧面有机玻璃看到更多的侧面景象)。它们成像原理一致,正如从水面上方透过水面看水下物体的虚像,均属于水到空气的平面界面折射成像。从空气中看水下圆环的成像光路示意图如图 10 所示4,物点 P 和 Q 分别成虚像于点 P和Q。设物点 P 的深度为 h,水的折射率为 n水,i 为入射角,j 为折射角,由文献4可知点 P的坐标为x=h(n2水-1)tan3i,(1)y=-hn1-(n2水-1)tan2i32,(2)水下 h=1 m 处物点 P 的虚像点 P的位置随视角(即折射角)j 的变化,如图 11 所示。水下迎面物体的虚像对镜头所成的视张角比实物的视张角大,即虚像看上去比实物大,而且虚像上各虚像点相对于物点大小不等地移近了许多5,再结合大视角下的像散因素6即可断定:使用平面镜头罩拍摄水下较大物体或景物,照片会有所失真,且边角处会略显模糊。故平面镜头罩多用于水下近景拍摄,水下较大景物及广角视野的拍摄宜采用球面镜头罩。38图 10 水下的水平圆环及其经水面折射所成的虚像图 11 水下 h=1 m 处物点 P 的虚像点 P的位置随视角 j 的变化采用平面镜头罩从水下拍摄水面上方物体的虚像由图 12 左可见,这类似于在空气中从玻璃砖正面透过玻璃砖观察背面物体7,照片除了会出现一定的视角放大、失真和边角模糊外,最大的特征便是四周景物相对于实物均向外整体平移,同时还呈现放大和靠近拍摄者的状态。由图 12 右可见,这时相机斜向水上的拍摄相当于在空气中透过一个顶角任意的三棱镜观察其背后物体;有入射光线在镜头罩平面处(图 12 中虚线)发生全反射时,其虚像则看不到,照片上会形成视野暗区,可称全反射区。图 12 采用平面镜头罩从水下拍摄水面上方的物体3 球面镜头罩下的水下照相 大多数水下摄影使用广角镜头或鱼眼镜头,采用球面镜头罩。水中物点发出或反射的光线透过球面镜头罩时会发生折射。球面镜头罩厚度很小,这种折射可直接看作从水到空气的折射4,如图13 所示。这时,水、镜头罩曲面、罩内空气构成单球面成像系统,由水中物点 P 发出的细光束经球面界面进入镜头所成虚像位于点 P。设水的折射率 n水=43,空气的折射率 n空=1,镜头罩恰是半球面,半径为 r,物点 P 到球面界面距离为34r(相当于物距 s),像点P到球面的距离为-s,由单球面成像公式n空s+n水s=n空-n水r842(3)可得 s=-r2.1。这就印证了像点 P是虚像且位于球面罩外侧,距离球面罩r2.1。图 13 球面镜头罩界面成像原理示意图这个成像系统相当于一个凹透镜,其像方焦距可令式(3)中的物距 s得到,即f像方=n空rn空-n水=-3r,(4)这就是说,水下较远处的物体几乎成像在一个距离镜头 4r 的虚像焦球面上,如图 14 所示。图 14 球面镜头罩及其虚像焦球面采用球面镜头罩进行水下拍摄相当于戴上近视眼镜:若 r=0.07 m,则近视眼镜虚焦距为-0.28 m,度数为1-0.28100-360。采用球面镜头罩进行水下拍摄时,聚焦的问题48并不大,但进行水面上、下分割拍照时(见图 8 和图 9),宜采用手动聚焦,可以单选对水上或水下聚焦,也可以采用“傻瓜式”折中聚焦方案。另外,采用球面镜头罩从水下向水上拍摄(见图 15图 17)或在水面进行分隔拍摄(见图 9)时,会出现“视锥”现象(其中是水上的全视野景象,与图 6 中的视张角不同)。这一特点与采用平面镜头罩拍摄截然不同:如在图 12 中,将相机朝正上方拍摄时,相当于透过一块平行的“水砖块”看天空,因不存在视角限制而不会出现“视锥”现象;将相机朝斜上方拍摄时,如同透过一块“水三棱镜”看天空,照片上有可能出现全反射的盲区,视野受到限制,其性质类似于图 6。图 15 从游泳池水下朝正上方仰拍图 16 沼泽地水下的斜仰拍图 17 水下斜仰拍看到的全反射现象综上,采用球面镜头罩从水下拍摄水下景物拍到的是 4 倍镜头罩半径远处的焦球面上的虚像;采用球面镜头罩从水下拍摄水面上方的景物时会出现圆形的“视锥”现象,相片中的水面处可以是一个完整的圆形或一段圆弧分界线,内侧是透光区,外侧是全反射区,从图 17 中清晰可见这种全反射现象。4 结束语 相机水下拍摄技巧非常多,绝大多数与光学知识有关,如图 16 中不仅蕴含水下看水上的成像问题6,还呈现平面反射与漫反射的强烈对比(植物茎叶的反射属于漫反射)。正常裸眼在水面之下不可能看清水下物体,如图 18 所示,因为人眼角膜的前表曲率 半 径 为7.8 mm9,水下远处的物体将成虚像在角膜前f像方=n空rn空-n水=3r=0.023 4(m)(5)处,相当于人眼在空气中戴上1-0.023 4 100-4 300的近视眼镜。这意味着若不加镜头罩,直接将岸上空气中使用的相机(防水的)带到水下拍摄,基本上什么也拍不到 雾茫茫一片。图 18 水下“镇静”的裸眼参考文献:1 百度百科.相机滤镜EB/OL.(2021-02-23)2023-04-14.https:/ 吴玮.水下摄影拍摄技巧分享!EB/OL.(2019-09-06)2023-04-14.https:/ 草根科学网.3 分钟学会风光摄影师必备技能,HDR 前期拍摄技巧及后期处理方法EB/OL.(2022-11-04)2023-04-14.https:/ 邵云.解析游泳池中泳者“身首分离”的折射现象J.大学物理,2021,40(10):52-55,65.5 唐星.迎面观察时游泳池壁和池底虚像位置的解析结果及实验验证J.物理与工程,2020,30(6):106-110.6 邵云.物点通过空气与水的界面折射成像的性质及位置58特点分析J.首都师范大学学报(自然科学版),2020,41(2):15-19.7 邵云,窦瑾.物点经方玻璃砖折射成像的三种计算方法及像点位置特点J.南京晓庄学院学报,2020,36(6):45-49.8 赵凯华.新概念物理教程光学M.北京:高等教育出版社,2004.9 医学百科.角膜EB/OL.(2014-01-26)2023-04-14.https:/ 蕊On the optical principles in underwater photographySUN Haiping1,SHAO Yun2(1.Teaching Group of Grade Two,Nanjing Wenshu Junior Middle School,Nanjing 210006,China;2.School of Electronic Engineering,Nanjing Xiaozhuang College,Nanjing 211171,China)Abstract:This thesis briefly introduces the relevant optical knowledge about underwater photography,focusing onthe underwater photography mechanisms under flat and spherical lens covers,revealing the differences between thetwo,displaying the practical application of ordinary optical knowledge in underwater photography,and highlightingthe importance of physical knowledge in understanding the world.Key words:underwater photography;flat lens cover;spherical lens cover;virtual image;total reflection(上接第 81 页)3 结束语 电感耦合等离子发射光谱法和火焰原子吸收分光光度法测定天然水体中钾、钠、钙、镁,其相关系数、检出限、精密度、准确度和实样测定结果均较好,但 ICP-OES 测定结果更优。在测试中,ICP-OES 不需要加入化学试剂抗干扰,可以直接进样,并且可同时测定钾、钠、钙、镁,更方便快捷。因此,测定天然水体钾、钠、钙、镁时可优先选择 ICP-OES。参考文献:1 马荣生,王昕,崔海洋.微波消解-电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)法测定环境土壤中镧、铈、铷、锶J.中国无机分析化学,2021,11(3):56-59.2 谢有亮,张迅,祝笛.ICP-OES 法在测定降水中金属离子的研究J.四川环境,2009,28(6):33-37.3 马荣生.微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤中铜镍铬的研究J.山东化工,2020,49(16):93,98.4 樊颖果,徐国津.原子吸收光谱和原子发射光谱法测定酸雨中钾、钠、钙、镁方法比较J.中国无机分析化学,2013,3(2):28-31.5 殷丽,张飞,唐溢湉,等.大气降水中钾钠钙镁测定方法的比对J.环境监测管理与技术,2013,25(5):60-62.6 生态环境部.环境监测分析方法标准制订技术导则:HJ 1682020S.北京:中国环境科学出版社,2020:18.责任编辑:卢 蕊Comparison of determination methods for potassium,sodium,calcium,magnesium in natural water bodiesZHU Jun,HUANG Jing,ZHAO Yiliang(Analysis and Testing Section,Jiangsu Zhenjiang Environmental Monitoring Center,Zhenjiang 212004,China)Abstract:Inductively coupled plasma emission spectroscopy and flame atomic absorption spectrophotometry wereused to determine potassium,sodium,calcium,and magnesium in natural water bodies.The correlation coefficient,detection limit,precision,accuracy,and sample determination were compared.The results showed that bothmethods could be used for the determination of potassium,sodium,calcium,and magnesium in natural waterbodies,and the emission spectroscopy method was superior.Key words:inductively coupled plasma emission spectrometry;flame atomic absorption spectrophotometry;naturalwater bodies;potassium;sodium;calcium;magnesium68