技术美术必修课：瑞利散射与米氏散射的原理与应用

技术美术必修课：瑞利散射与米氏散射的原理与应用

在技术美术领域，理解光的散射原理对于创建逼真的视觉效果至关重要。本文将深入浅出地讲解两种常见的散射现象：瑞利散射和米氏散射，帮助你掌握这些光学现象的核心原理。

散射是指光子与空气中的分子或悬浮粒子发生弹性碰撞后，改变行进方向的现象。在日常生活中，我们常见的散射可以分为两种：瑞利散射（Rayleigh scattering）和米氏散射（Mie scattering）。

上图展示了两种散射的示意图。图中的横轴表示粒子直径与波长长度的比值，纵轴表示经过数据标准化后的散射强度。蓝色区域代表粒子直径远小于波长的瑞利散射，其特点是波长越短，散射越强，且散射角度较大；黄色区域代表粒子直径与波长相当或更大的米氏散射，其散射强度与波长无固定关系，大部分散射沿着阳光原本行进的方向前进。

瑞利散射

瑞利散射发生在光照到直径远小于光波长的粒子（如大气中的氧分子和氮分子）时。此时，光会向四面八方散射，而且散射强度与波长的四次方成反比，即波长越短，散射强度越大。

米氏散射

米氏散射则发生在光照到直径与光波长相当或更大的粒子（如烟雾、液滴、尘埃）时。与瑞利散射不同，米氏散射的散射强度与波长没有固定关系，光主要沿着原本行进的方向散射。空气中的微粒会造成米氏散射，当微粒大小与波长相近时，会有共振增强散射的现象。

实际应用

• 天空颜色：来自天空的光线经过大气的瑞利散射，波长较短的蓝紫光被大量散射，因此我们看到的天空呈现蓝色（人眼对紫色光不敏感）。而来自太阳的光线中，波长较短的蓝紫光被散射后，只有波长较长的红橙光直接到达人眼，因此太阳看起来偏黄。

• 云的形成：云由水滴组成，水滴的大小与可见光的波长相当，因此云主要产生米氏散射。这种散射没有明显的波长依赖性，所以云通常呈现白色或灰色。

通过理解瑞利散射和米氏散射的原理，技术美术师可以更准确地模拟自然界的光线效果，创造出更加真实和震撼的视觉体验。