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三棱镜。原图链接

三棱镜是光学棱镜中的一种形式,在外观上呈现几何的三角形,最常用于光线的色散,将光线分解成为不同的光谱成分。利用不同波长的光线因为折射率不同,在折射时会偏转不同的角度,便会造成色散的现象。这种效应也被用来对棱镜物质进行高精密度的折射系数测量。1666年牛顿发现太阳光经三棱镜的折射后可呈现彩色光,称为光的色散现象。

概述

物质的折射系数固然在不同的波长会有所不同,但有些物质的折射系数对波长的变化比其他物质强烈。棱镜的顶角能够影响到棱镜色散时的特性。通常,要适当的选择光线射入的角度和射出的角度,当角度接近布儒斯特角(Brewster angle)时,在折射时造成的损耗最小。

一束白光会分出不同颜色,一般就分为七种颜色,即红、橙、黄、绿、蓝、靛和紫。是光学棱镜中最常见,也是一般人所熟知的,但并不是最常用到的棱镜。文化应用上极为广泛,曾出现在英国摇滚乐队平克·佛洛伊德于1973年推出的《月之暗面》专辑的封面上。

发现

牛顿的色散实验结果,可知白光是由多种颜色的光所组成。1801年,英国学者汤玛士‧杨格首先研究人眼对颜色的感觉。他指出在可见光谱的位置排列上,只需选择三种彼此有相当差距的基本色光,按不同的比例组合,几乎可产生任何一种颜色。随后德国学者赫尔曼·冯·亥姆霍兹在1856年至1867年,继续深入对颜色的研究,确立了光的三原色理论。这三种基本色光的选择并没有特定的组合。传统上,我们选择红、绿、蓝三种色光作为光的三原色。图显示以相同强度的红、绿、蓝三原色的光,同时投射在白色光屏上的结果。中间的白色区域为三种色光共同混合而成。

功能

三棱镜的横截面呈三角形具有两大光学特性:色散与偏折,因此镜有这两种基本应用方式:

创造彩虹

白光是由不同波长的各种光线复合而成的,在通过三棱镜后会产生 “分裂”,变成不同颜色的光线,形成彩虹——这被称为 “色散” 效应。利用这一效应,可以利用三棱镜在拍摄作品中添加彩虹。无论是在拍人像时简单地把彩虹打在脸上,还是充当静物背景。用三棱镜制造彩虹时,可以通过调整一些关键参数来改变获取的彩虹效果。把彩虹直接打在人脸上,是三棱镜在人像摄影中的常用玩法。在拍摄大头照或半身照时,让三棱镜离主体远一些,或增加棱镜数量,使彩虹的面积更大,色散更自然。

三棱镜尺寸越大,制造出的彩虹面积也越大;另外,距离三棱镜越远,彩虹的面积越大,但色彩同时也会变淡。还需要注意太阳高度的问题。如果需要一个长长的投影彩虹,需要在日出/日落时分拍摄[1]

改变光线方向

光线在通过三棱镜时会大幅改变前进方向,当透过镜体观察时,会看到身边约 90° 角的情景,利用这一特性,可以把两个画面叠加在一张照片中,创造类似双重曝光的效果。三棱镜与 “多重曝光”:三棱镜的另一种用法是,把它当成外接滤镜,拍摄镜体内出现的折射图像。通过改变镜体到镜头的距离和转动镜体,你可以控制折射图像的位置、画面比例和数量。

镜头选择

三棱镜摄影最好使用广角镜头和微距镜头。广角镜头的视野更广,可以在照片中纳入更多景物,但存在一个问题:棱镜的边缘会变得很明显,因为广角镜头的虚化能力不够强。微距镜头的虚化能力更强,同时对焦距离很近,你可以把镜体贴近镜头,不让拿著滤镜的手出现在画面中;三棱镜中的图像到背景的过渡也更自然。由于棱镜的尺寸不会过大,即使你用了微距镜头,背景景物的比例仍然会很大。所以你需要对背景景物进行挑选——至少,不能让它太杂乱。

拍摄一条隧道,一条道路,把观众视线集中向纵深处;或者选择比较空的背景,用引导线比如说一堵砖墙,一片树丛,,对称构图也是一个很好的策略,寻找大致对称或左右相互呼应的景物,用三棱镜把它从中央分开。确定了背景图像以后,只需要旋转棱镜角度,在背景图像中添加兴趣点就好了。利用镜体向画面中添加人物肖像,可以先设计好构图,再让人物配合调整站位。

应用

普罗棱镜

普罗棱镜是光学上使用于光学仪器中,用来修改影像取向的一种折射式三棱镜,他以发明者义大利的光学工程师伊纳济欧普罗来命名。普罗棱镜是由玻璃块塑造成的等腰直角三棱镜,末端平面对著直角。在使用上,光线由三棱镜中最大的长方形面进入,经过斜面的两次全反射,再穿透原来的入射平面射出。因为光线只是以正常的状态进出,三棱镜并未发生色散的作用。

但是经过普罗棱镜的影像会被翻转180°,并且会向原来进入的方向行进,也就是行进的方向也改变了180°。但是因为图像经过两次的反射,所以旋向性是未改变的。普罗棱镜最常被以双普罗棱镜的组合来成对使用,第二个棱镜相对于第一个被旋转90°。让光线穿越这样安置的两片三棱镜,棱镜系统的净效应是入射的光线被平行的改变行进方向,影像被旋转180°,偏手性依然没有变化[2]。普罗棱镜是三棱镜应用的一种,经过普罗棱镜,入射光线与反射光线平行,但上下颠倒、左右相反,又属于角落镜(corner mirror)的一种。在小型的光学望远镜中,常利用这种普罗棱镜来缩短镜筒的长度(长度太长时,携带不方便),而可维持较大的放大倍率[3]

影片

p71制造彩虹 三棱镜0707OK
三棱镜色散
利用三棱镜把阳光分成七种颜色的是哪位科学家?

参考资料