你眼中的绿叶，居然能被相机拍成雪景？
这周末，小编在颐和园，拍到了这样一张神奇的照片：
这个季节，北京居然有雾凇？这白色的树冠，深蓝的天空，仿佛一下子穿越到了白色相簿的季节。难道，有人偷偷给树刷了一层白漆？
其实，太阳还是那个太阳，树还是那棵树，发生变化的只有一件事——这台改装过的相机，开始接收我们肉眼看不见的红外光。
嘿嘿，骗你的！肉眼看上去长这样为什么一片在人眼看来普通的绿色树叶，到了近红外的世界里，会突然变得如此明亮？要回答这个问题，我们得先从一个看似简单的问题说起：
树叶，到底是什么颜色？
“绿色”是人眼的错觉？
在肉眼看来，树叶当然是绿色的啦——红叶除外。
我到底是不是树叶啊？但从物理学角度看，这句话其实省略了很多条件。一个不发光的物体最终呈现出什么颜色，主要取决于三件事：
光源发出了哪些波长；
物体对不同波长如何反射和吸收；
观察者对这些波长是否敏感。
对于一个简单的反射场景，探测器接收到的光谱可以粗略写成：
其中：是光源的光谱，是物体对不同波长的反射率，而则是探测器对不同波长的响应。
人眼是怎么看到绿色树叶的？（图片由 AI 生成）因此，当一名物理学家看到树叶，他或许会说：
在太阳光照射下，在人眼能够看到的可见光范围内，树叶反射回来的光让我们的视觉系统产生了“绿色”的感受。
“绿色”并不是树叶身上的一张绝对标签，而是光源、材料和人眼共同作用的结果。
叶绿素：可见光波段的“显眼包”
那么可见光范围内，树叶的绿色从何而来？让我们先取一束太阳光，入射到叶片上：
这束光的能量主要有三种去向：吸收、反射或透射。且吸收率、反射率和透射率的总和等于1：
而在植物叶片中，主导了吸收率的色素正是：太阳能革命先驱、大氧化运动推手、大气改造工程总承包商——叶绿素。
叶绿素在蓝光和红光区域吸收较强，而在绿色区域吸收较弱。因此，叶片能够更多地反射或透过绿光，在人眼看来，叶片便呈现出绿色。
红花沟酸浆（Mimulus cardinalis）叶片在不同波段的吸收率，图源参考资料 [1]
从这条吸收率曲线也能看出：植物并非完全不吸收绿光——只是相对蓝光和红光而言吸收得较少。实际上，绿光还可以穿透到叶片更深的位置，参与内部组织中的光合作用。
但纵使是叶绿素，对阳光也不是照单全收——近红外光就不怎么对它的胃口。
跨过 700 nm，树叶如雪闪耀
如果你给红外相机装上不同波长的截止滤镜，拍摄绿色植物，你会发现随着波长变长，树叶明显变得更亮了。
在更长波段的截止滤镜下，绿色植物明显变得更亮。图片经黑白处理，以便对比亮度（图：冰糕）叶片在近红外波段的反射率，相对可见光区域迅速上升，这种陡峭的变化被称为：红边（Red Edge）。
它是植物光谱中最重要、最有代表性的特征之一。红边左侧，叶绿素强烈影响光的吸收；红边右侧，叶绿素吸收迅速减弱，这时，叶片内部的结构开始成为影响“颜色”的关键。
树叶可不是一张简单的绿色薄片，而是一个结构复杂的光学介质。叶片中的海绵组织稀疏分布着大量细胞，造就了大量形状不规则、方向各异的组织液—空气界面。
叶片对近红外光吸收较弱，因此多次散射后，近红外光大部分反射或透射（图片由 AI 生成）一束阳光进入叶片之后，会在不同组织之间多次散射，最终，一部分光重新从叶片正面离开，一部分从背面透射出去；还有一部分被吸收。
无论是可见光还是近红外光，都会经历这样的多次散射，但区别在于，叶绿素会扣留大部分可见光，而近红外则成了“漏网之鱼”。
当然，红外照片里植物之所以格外醒目，不只是因为叶片强烈反射近红外，还因为背景整体变暗了。
红外波段，天空散射显著减弱、水体吸收增强、阴影失去来自天空的漫反射光——植物“变亮”和环境“变暗”同时发生，才造就了红外摄影中近乎雪景般的强烈反差。
在 ≈750 nm 短波截止滤镜下，阴影处由于失去来自天空的漫反射光，会显得更暗（图：冰糕）看到这里，有的读者可能要问了：红外相机下白得发亮的树叶，除了带给我们一些小小的视觉震撼，有没有什么实用之处呢？
当然有！此时此刻，在你头顶几百公里处，没准就有一颗搭载着红外相机的卫星！
上九天，看万山红遍
人类的双眼虽陷于可见光谱的囹圄，但人类所造的卫星却得以一览近红外的盛景。在地球上空数百公里处，遥感卫星正是利用植物这种特殊的光谱特征，时刻监测着地球的健康。
Landsat 9 近红外伪彩色遥感图。植被因强烈反射近红外而呈红色，城市和裸露地表则主要呈灰白色，图源参考资料 [2]利用健康绿色植物红光反射率较低，而近红外反射率明显升高的特点，科学家定义了归一化植被指数（NDVI）：
其中：表示近红外反射率，表示红光反射率。对于健康植被来说，通常有：
因此NDVI往往得到较高的正值。而水体、裸土、建筑物等地物，并不存在完全相同的光谱关系，NDVI会明显不同。借助这些信息，遥感系统可以大范围估计植被覆盖状况、农作物生长情况、森林变化、干旱影响……
当然，遥感卫星上的红外相机，比我们手中的设备强大得多——但二者利用的是同一个物理原理：植物在红光与近红外之间存在极其明显的反射差异。当你透过屏幕看到雪白的树冠时，也算是体验了一下卫星从太空俯瞰森林的感觉！
相机为何能看到红外光？
既然近红外已经超出了人眼的视觉范围，为什么一台普通的相机，稍作改装以后就能看到它？答案来自相机传感器的材料：硅。
绝大多数 CCD 和 CMOS 传感器以硅作为光敏材料，当光照射到传感器上，如果单个光子的能量足够高，就能够激发电子跨越带隙，产生可以被读取的电信号
波长为λ的光子，能量满足：
其中是普朗克常数，是光速。而硅在室温附近的带隙大约为：
如果用光子能量等于带隙来粗略估算，就可以得到硅基传感器能看到的最长波长：
对人眼来说，700 nm 左右已经接近可见光的尽头；但对于硅基传感器来说，1100 nm 以下的近红外光仍然有机会产生有效电信号。
（以上讨论适用于普通相机更换滤镜改装而来的红外相机。专业级红外相机使用铟镓砷、锑化铟等传感器材料，可以探测更长波长的红外光）
既然相机的传感器本身就能够响应近红外，为什么平常拍出来的照片不会满是奇怪的红外效果？这主要归功于一片蓝色的小东西：
来自一台单反相机的红外截止滤镜。它在阻挡红外光的同时也阻挡了少量红光，因此呈浅蓝色（图：冰糕）它就是红外截止滤镜。它一般被安装在传感器前面，任务就是尽量挡住红外光，同时允许可见光通过。
一旦移除这片滤镜，波长大于 700 nm 的近红外光就能参与成像，让你的照片变成这样：
红外改机未加滤镜拍摄的全光谱照片，因红色通道对近红外更敏感，整体颜色偏红（图：冰糕）即使进入近红外范围，红、绿、蓝三个像素通道也不一定得到完全相同的信号——尤其是当你没有把可见光完全过滤掉的时候。
基于三个通道的信息差异，我们可以在后期重新映射颜色，得到伪彩色图片。红外摄影中常见的处理方法是在 PS 中将照片的红、蓝通道互换，再调整白平衡，让红外视角下的天空仍然呈现出蓝色。
≈550 nm 短波截止滤镜，从左至右：原图、伪彩图、黑白（图：冰糕）而随着滤镜逐渐进入更纯粹的近红外区域，三个通道接收到的信号越来越相似，图像中的真实色彩信息就会越来越少，最终趋近于单色。
因此，红外摄影里的色彩既不是凭空生成的，也不是“真实存在”的：它来自不同通道的信号差异，再由后期重新映射成人眼可以看到的颜色。
红外照片，手机也能拍？
看到这里，你是否已经跃跃欲试，想要一睹红外世界的奇妙？其实，普通手机也有可能拍出这样的照片！
首先，你需要做一个小测试：准备一支红外遥控器，对着手机摄像头按任意键。如果你能看到遥控器的灯珠像这样闪光——
小编的手机镜头能看见遥控器发射的红外光就说明这台手机传感器的红外截止滤镜并没有拦住所有的红外光。你可以直接用一片红外滤镜盖在手机镜头前，遮住一部分可见光，就能够拍出和红外相机类似的画面：
≈750 nm 短波截止滤镜，手机拍摄，图片经过后期处理不过，由于红外截止滤镜仍然存在，这样拍出的照片效果还是比改装后的相机逊色不少～
结语
现在，让我们回到文章开头的问题：树叶，到底是什么颜色？
在人眼可见的范围内，“绿色”当然是正确的答案；
但树叶的颜色和亮度，从来都不是脱离波长而独立存在的属性。当你把光谱向红外扩展，红外滤镜下那闪亮的白色，又何尝不是树叶的另一种“颜色”呢？
原来，我们肉眼所见的光，只是缤纷世界的一角——纵是不可见光，也时刻在我们注视不到的地方，照亮这个世界。
图：冰糕参考资料
[1] GATES D M, KEEGAN H J, SCHLETER J C, et al. Spectral properties of plants[J]. Applied Optics, 1965, 4(1): 11–20.
[2] U.S. Geological Survey. Landsat 9 image of the Dallas–Fort Worth Area[EB/OL]. Landsat Missions, 2022-07-15.
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[5] KNIPLING E B. Physical and physiological basis for the reflectance of visible and near-infrared radiation from vegetation[J]. Remote Sensing of Environment, 1970, 1(3): 155–159.
[6] JACQUEMOUD S, BARET F. PROSPECT: A model of leaf optical properties spectra[J]. Remote Sensing of Environment, 1990, 34(2): 75–91.
[7] USTIN S L, JACQUEMOUD S. How the optical properties of leaves modify the absorption and scattering of energy and enhance leaf functionality[M]//Remote Sensing of Plant Biodiversity. Springer, 2020: 349–384.
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[9] Hamamatsu Photonics. Si photodiodes / Silicon photodiode technical documentation[EB/OL].
注：
1. 文中所述“白色树叶”效果，一般来说需一定后期，并非红外相机直出效果。
2. 本文写作目的为物理科普，不构成对任何摄影器材的购买与改装建议。
3. 不同手机、相机的红外截止滤镜性能不同，因此文中介绍的方法不一定适用于你手中的设备，请谨慎尝试。
编辑：冰糕