در نوشته های قبلی سعی کردیم درباره ماهیت نور و رفتار دوگانه آن و همچنین طیف مرئی صحبت کنیم. آموزش عکاسی و فیلمبرداری بدون یادگرفتن مبناهای اپتیکی و رفتاری نور ممکن نیست. شما به عنوان عکاس حتی باید ساعت قطبیده شدن نور را بهم بدانید و بر اساس محل دوربینتون را تعیین کنید. دو تا از مهمترین رفتار های نور شکست یا انکسار و انعکاس است. نور در مواجه با برخی اجسام بازتاب می یابد و در مواجهه با برخی اجسام دچار شکست می شود.

وقتی پرتوی نور به یک سطح برخورد می کند یک اتفاق خاص ولی ساده می افتد بخشی از آن برمیگردد و بخشی از آن عبور کرده و دچار خمش می شود. ممکن است برای ما این پدیده فقط یک خیرگی ساده به نظر بیاد اما در اصل ماجرا یک قاعده دقیق است که تعیین می کنه که نور باید منعکس بشه یا شکسته و به چه نسبتی این اتفاق بیفته.

در این مقاله درباره برخورد نور به سطوح و اتفاقی که در آنجا میفته صحبت می کنیم چرا زاویه نور و سطح مهمند و اجسام مختلف چجور مسیر نور را تعیین می کند و در نهایت نکاتی را مرتبط با هنر عکاسی و فیلمبرداری نسبت به این موضوع به شما می گویم.

وقتی نور به یک سطح برخورد می کند چه می شود؟

تصور کنید پرتوی نور خورشید از هوا عبور کرده و بک شیشه پنجره می خورد.در همان نقطه ای که هوا تمام شده و شیشه شروع می شود تغییر مدیوم یا محیط اتفاق می افتد. قبلا توضیح دادم که تغییر محیط به معنای تغییر رفتار نور است چرا که محیط های مختلف ضریب شکست متفاوت دارند که به معنای این است که نور با سرعت های متفاوتی در آن ها حرکت می کند.

در مرز دو جسم، موج الکترومغناطیسی که نور مینامیم تحت قوانین سفت و سخت فیزیکی قرار می گیرد و به جای انتخاب یک مسیر، انرژی آن تقسیم می شود بخشی از موج به هوا بازمیگردد و بخشی از آن داخل شیشه در مسیر و سرعت و متفاوت ادامه می دهد.

نکته مهم این است که تقریبا همیشه انکسار و انعکاس همزمان با هم اتفاق می افتد. خیلی بعید است که نور از روی یک سطح فقط انعکاس و یا  فقط انکسار از خود نشان دهد. در زندگی روزمره نور همیشه انکسار و انعکاس را همزمان پیدا می کند و بخشی از آن نیز به عنوان گرما داخل جسم جذب می شود. نکته جالب همزمانی انکسار و انعکاس نیست بلکه نسبت این دو به همدیگست.

نسبت انکسار ، سرعت نور چقدر است؟

برای اینکه تعادل انعکاس یا شکست را در یک جسم بدانید باید اول با ضریب شکست آشنا بشید. ضریب شکست اجسام را معمولا با n نشان می دهند و به شما نشان می دهد نور با چه سرعتی درون این ماده نسبت به خلا حرکت می کند.در هوا n کمی بالاتر از یک است در آب حدود 1.33 است و در شیشه به 1.5 می رسد و البته نوع شیشه هم در این زمینه مهم است.

هرچقدر ضریب شکست بیشتر باشد به معنای این است که نور در آن جسم کند تر می شود و این تغییر سرعت بخاطر تداخل بین میدان الکتریکی موج نور با الکترون های ماده هست.. این تداخل ها باعث کم شدن سرعت نور می شوند.نکته مهم این است که بدانید نور گیر نمی کند و توقف نمی کند بلکه فقط با سرعت کمتری به حرکت خود ادامه می دهد.

وقتی نور از یک محیط با ضریب شکست پایین به محیط با ضریب شکست بالاتر وارد می شود علاوه بر کند شدن به سمت یک خط خیالی که عمود بر صفحه هست خم می شود. و در تغییر محیط از ضریب شکست بالا به پایین از این خط عمود دورتر شده و سرعت نور بیشتر می شود. این خم شدن چیزیست که به آن انکسار می گوییم.

زاویه ها و قانون اسنل

زاویه نوری که به سطح می خورد بسیار مهم است. آن زاویه نسبت به خط عمود بر صفحه اندازه گیری می شود و به آن زاویه تابش می گویند و زاویه نور بازتابی با خط عمود را زاویه انکسار می گویند.

بین زاویه تابش و زاویه انکسار قانون اسنل به طور زیر حاکم است:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

که n1  و n2 ضریب شکست دو جسم و تتا 1 و تتا2 زاویه شکست و بازتابش هستند. به طور کلی با دانستن دو جسم و زاویه ورودی میتوان زاویه خروجی را محاسبه کرد.

وقتی انعکاس حاکم می شود

با وجود اینکه انکسار چیزیست که بیشتر متوجه آن می شویم اما انعکاس همیشه در کنار آن وجود دارد. یک پنجره معمولی یک بخشی کوچکی از نوری که به آن را می خورد بازتاب می دهد بخاطر همین هم در شب می توانید قیافه خودتون را داخل شیشه پنجره ببینید.

تفاوت بسیار زیاد در ضرایب شکست دو جسم باعث ایجاد انعکاس بیشتر می شود. برای مثال در مرز بین هوا و فلز، فاصله دو ضریب شکست به قدری بالاست که تقریبا همه نور انعکاس داده می شود و مقدار کمی جذب و یا عبور می کند که از این پدیده برای ساخت آینه استفاده می شود.

یکی از حالت های انعکاس، بازتاب کامل داخلیست این پدیده زمانی رخ می دهد که نور از محیطی با ضریب شکست بیشتر وارد محیطی با ضریب شکست کمتر می شود مثل عبور نور از شیشه به هوا. اگر زاویه تابش از یک زاویه بحرانی مشخص بزرگتر باشد قانون اسنل زاویه شکست ناممکنی را پیش بینی می کند. در چنین وضعیتی تمام نور به داخل محیط اول بازتاب داده می شود که نتیجه آن یک بازتاب کامل و آینه مانند با تقریبا هیچگونه اختلاف است.

فیبر های نوری دقیقا از همین اثر استفاده می کنند تا نور را درون هسته شیشه ای به دام بیندازند و آن را در مسافت های طولانی هدایت کنند.

وقتی انکسار عکس ها را می سازد

انکسار باعث می شود که مواد شفاف نور را خم کرده و تبدیل به عکس کنند. یک شیشه محدب پرتو ها را از جسم دور گرفته و آن را به سمت یک نقطه متمرکز می کند. با منحنی کردن هر سطح به اندازه دقیق بر اساس ضریب شکست مواد، طراحان لنز به طور دقیق نشان می دهند که لنز  به چه مقدار نور را خم کرده و عکس را کجا شکل می دهد.

بدون انکسار ما تقریبا هیچ لنز دوربینی، عدسی چشمی، میکروسکوپ و تلسکوپی نداریم. هربار که نور وارد دوربین می شود بر اساس قانون اسنل منکسر می شود سطوح متعدد تغییر مسیر های کنترل شده ایجاد می کنند تا یک تصویر پر وضوح بر روی سنسور تشکیل شود.

حتی پدیده های ساده ای مثل خم به نظر رسیدن قاشق در یک لیوان آب یا کمتر دیده شدن عمق استخر، نیز مستقیما نتیجه انکسار نور هستند.پر توهای نوری که از جسم غوطه ور در آب می آیند هنگام خروج از آب و ورود به هوا خم می شوند مغز شما فرض می کند نور همیشه در خطوط مستقیم حرکت می کند بنابراین جسم را در مکان اشتباهی بازسازی می کند و آن را نزدیک تر به سطح نشان می دهد.

بازتاب و انکسار در زندگی روزمره

برای دیدن اینکه نور چگونه میان بازتاب و انکسار تصمیم میگیرید نیازی به آزمایشگاه ندارید.یک جاده خیس در روز آفتابی این را به زیبایی نشان می دهد.در فاصله دور سطح جاده شبیه آینه به نظر می رسد آسمان را بازتاب می کند و توهم یک چاله آب یا برکه را ایجاد می کند.در آن زاویه های دید کم ارتفاع، بخش بازتاب شده نور بر آنچه چشمات دریافت کرده غلبه دارد وقتی به جاده نزدیک تر می شوید هندسه دید تغییر می کند تعادل جابجا شده و توهم از بین می رود.

پنجره بسته به شرایط نوری هم مانند یک قاب شفاف و هم مانند آینه عمل می کند و اگر اتاق روشن و بیرون تاریک باشد شیشه بازتابنده به نظر می رسد چون نور بازتاب شده از داخل بسیار قوی تر از نور منکسر شده بیرون است اما در روز وقتی نور خورشید صحنه بیرون را روشن میکنه نور منکسر شده غالب می شود.

چرا انعکاس و انکسار برای عکاسی و فیلمبرداری مهم است؟

قاعده اول نورپردازی این است که هر منبع نور در محیط چگونه عمل می کند چه نور مصنوعی مثل نور های فرزنل، چه نور طبیعی مثل نور خورشید در هر محیطی یک رفتاری با اجسام مختلف دارد. ممکن است بعضی اجسام باعث انعکاس زیاد بشوند و بعضی اجسام حالت مات داشتند و حتی ممکن است باعث منکسر شدن بشود. نورپردازی بررسی رفتار نور اصلی در محیط است و ممکن است انعکاس نور اصلی از یک جسم به عنوان منبع نور دوم برای شما عمل کند یا به عنوان بک لایت باعث روشنایی مختصر در پشت صحنه شود و حتی ممکن است باعث ایجاد هاله متناسب سلیقه شما شود.

در عکاسی اینکه بدانید بازتاب ها در زاویه های مماس قوی تر می شوند به شما کمک می کند پیش بینی کنید چه زمانی یک پنجره یا دریاچه مانند آینه رفتار می کند. همچنین درک اینکه ضریب شکست چگونه بر میزان خم شدن نور تاثیر می گذارد باعث می شود بفهمید چرا لنز های واید می توانند کوچک و فشرده باشند اما لنز های تله فوتو باید بلند ساخته شوند و چرا برای قسمت های مختلف یک لنز از شیشه هایی با ضرایب شکست متفاوت استفاده می شود.

سازندگان لنز از کوتینگ یا پوشش های خاص بر روی لنز استفاده می کنند که پوشش های ضد بازتاب بسیار نازکی از موادی با ضریب شکست دقیقا انتخاب شده روی سطح لنز هستند که این کوتینگ باعث شده موج های بازتابی برای طول موج های مهم با هم تداخل کرده و یکدگیر را خنثی کنند در نتیجه مقدرا بیشتری از نور مجبور میشود که وارد شیشه شود به جای اینکه بازتاب یاد.نتیجه این فرآیند کنتراست بهتر، درخشش کمتر و تصویر های روشن تر است.بخاطر همین روی لنز خود را فقط در مواقع ضروری با مایع و پارچه مناسب تمیز کنید و به هیچوجه لنز خود را به دست افراد ناآشنا ندهید چرا که این افراد ممکن است بی دلیل با پارچه خیس بدلیل کمی گرد و غبار روی لنز شما رو تمیز کرده و بر کوتینگ آن تاثیر بذارند.

نتیجه گیری، نور تصمیم گیرنده نیست

نور انتخابی در رفتار خود ندارد در مرز دو جسم رفتار نور توسط قوانین الکترومغناطیس مکسول و ویژگی اجسام تحمیل می شود. ضرایب شکست، زاویه تابش و وضعیت قطبی شدن، طول موج و میکروساختار سطح، با هم تعیین می کنند که چه بخشی از انرژی ورودی منعکس و چه بخش منکسر شود.

دانستن قانون انکسار و انعکاس به شما کمک می کند بفهمید لنز دوربین شما چجور عمل می کند و چرا یک چاله آب می درخشد چرا شیشه همزمان هم آشکار می کند و هم پنهان، و چرا لنز ها می توانند کهکشان های دور یا سلول های کوچک را ثبت کنند.در پایان یکی از کلیدی ترین نکات گرفتن عکس یا نمای خوب دانستن نوع عملکرد نور در صحنست.