水下照相中的光学原理

孙海萍,邵 云

(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)

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

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

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

图10 水下的水平圆环及其经水面折射所成的虚像

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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。

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

图13 球面镜头罩界面成像原理示意图

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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

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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时,聚焦的问题并不大,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 mm[9],水下远处的物体将成虚像在角膜前

图18 水下“镇静”的裸眼

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