光的偏振|彩虹色的大海你见过吗？
“大海是什么颜色？”几乎所有人都会回答“蓝色” 。 的确 ， 除了偶尔会被天边倒映的朝霞或晚霞染上一抹火红 ， 在天气晴朗的情况下 ， 我们看到的大海都是蔚蓝的 。
那么是否有什么神奇的“魔法” ， 可以让大海不再呈现蓝色 ， 变得如下图五彩斑斓呢？
（图片来自网络）
很多人看到这幅照片的第一反应是 ， “一定是PS的” 。 但实际上 ， 这并不是依靠电脑特效才能制作出的“假照片” ， 而是实实在在拍摄到的自然现象 。 不少网友在乘坐飞机的过程中 ， 也都曾经拍摄到类似的壮丽景象 ， 如下图 。
（图片来自网络）
其实这并不是什么电脑特技 ， 而是有着坚实物理学原理支撑 ， 这就是小编今天为大家介绍的“光学魔法”——偏振成像 。
揭秘偏振成像
我们都知道 ， 可以把光看成一种“波” 。 我们所说的“波”通常可以分为两类 ， 一类是“纵波” ， 指的是局部物质振荡方向与传播方向平行的波 ， 例如我们熟悉的声波 。
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而光波属于另外一类 ， “横波” 。 用手挥动绳子时 ， 产生的“绳波”就是典型的横波 。 横波传播过程中 ， 物质（例如绳波中的质点或光波中的电场等）局部振荡方向与传播方向相互垂直 ， 这个特殊的振荡方向 ， 就是横波的“偏振”方向 。
（图片为自制）
横波的偏振方向可以通过“检偏器”检测出来 ， 例如对于绳波来说 ， 我们可以制作下图所示的“狭缝”来检测偏振方向 。 当“检偏器”方向（即狭缝方向）与绳波偏振方向一致时 ， 绳波可以很顺利的通过；但“检偏器”方向与绳波方向相互垂直时 ， 绳波无法通过 。 光学上也有类似的“检偏器” ， 叫做“偏振镜” ， 可以让特定偏振方向的光波通过 ， 只是原理会复杂一些 ， 但效果上与检测绳波振动方向的狭缝是一样的 。
【光的偏振|彩虹色的大海你见过吗？】
（图片为自制）
我们在电影院看3D电影时 ， 工作人员会给我们一副“大墨镜” ， 其实就是偏振镜 。 左右两片镜片允许通过的光的偏振方向恰好相互垂直 ， 如此一来 ， 左右眼就可以分别看到不同的图像 ， 产生强烈的立体感了 。
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并不神秘的海面光反射
日常人眼看到的光 ， 如太阳光 ， 各个方向上偏振的光强基本一致 ， 没有明显的偏振方向 ， 我们称为“自然光” 。 水面对太阳光的反射有一定的偏振选择性 ， 某些偏振方向反射的多 ， 某些偏振方向反射的少 ， 广袤海面反射的太阳光就会成为部分偏振光（此过程可以通过菲涅尔方程进行严格定量计算） 。 为了方便大家理解 ， 我们可以将各个偏振方向按照光强画成不同长度的箭头 ， 原本的“自然光”各个偏振方向光强相等 ， 可以表示为“圆形”；反射的部分偏振光中有些方向光强较强 ， 有些方向光强较弱 ， 可以表示为“椭圆形” ， 就如下图所示 。
（图片为自制）
对于水面反射的部分偏振光 ， 当“检偏器”方向与反射率更高的偏振方向一致时（例如上图中反射光椭圆的那个“长轴”方向） ， 反射光能够最大限度地通过 ， 反之则会被最大程度削减 。 例如在风光摄影中 ， 为了能够减少水面反射光的干扰、更清晰地拍摄水底 ， 摄影师往往会携带一块“偏振镜” ， 故意把方向旋转到反射的部分偏振光的“短轴”方向 ， 奇迹般地过滤掉水面的反射光 。
（图片来自网络）
更有意思的是 ， 由于海水存在一定的色散（折射率在不同波长有差异） ， 即便是在占主导的偏振方向上 ， 不同波长光的反射率也会存在一定差异 ， 反射率最高的那个波长会成为“主波长”（Dominant Wavelength） 。 随着入射光角度i的变化 ， 主波长也会发生偏移 。 上世纪六十年代 ， 就有学者以地中海为例 ， 研究了20℃情况下反射光主波长随着入射角变化曲线 。
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【光的偏振|彩虹色的大海你见过吗？】使用配备偏振镜的相机进行拍摄时 ， 如果反其道而行之 ， 旋转调整偏振镜方向 ， 能够最大程度削减其他光线 ， 让水面的反射光最大程度进入摄影系统（将偏振镜方向旋转至椭圆“长轴”方向） 。 从上面的曲线图可以看出 ， 反射光中的主波长会随着入射角度的变化而变化 ， 不同主波长则对应着不同的颜色 。 广袤海面上呈现梦幻般五彩斑斓景象 ， 就是这个原理 。
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偏振成像用处大
偏振成像是一种光学中常用的技术手段 ， 用来探测普通相机难以察觉的物理现象 。
例如在遥感技术中 ， 由于不同植物叶片、不同矿物等会呈现不同的偏振特性 ， 因此可以通过偏振遥感技术对植物种类、长势进行大规模调查 ， 也可以进行辅助矿物勘探等 。
天文学中偏振成像也非常重要 ， 例如太阳大气的测量 。 太阳大气会在磁场作用下产生光谱分裂 ， 其谱线偏振态就与磁场强度直接相关 ， 因此可以利用偏振成像技术对太阳大气进行高精度实时磁场测量 。 中科院光电技术研究所最近刚刚研制成功的我国首套2米级太阳望远镜 ， 就在利用这项技术进行重要研究工作 。
再比如很多透明材料——如玻璃、塑料等——在冷却成型过程中会产生应力 ， 一些特定位置则会出现较强的应力积累 ， 这也将会是材料最脆弱的地方 。 但由于材料本身是透明的 ， 所以难以直接观察 。 而应力会改变材料的偏振特性 ， 因此通过偏振成像能够方便地观察器件的应力分布 ， 如下图中彩色条纹变化越剧烈的位置 ， 代表应力积累越严重 。
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再举个例子来直观说明一下偏振成像的威力吧 。 生活中我们偶尔会听到石油泄漏的新闻 ， 新闻的配图往往是大片大片黑乎乎的石油浮在水面上 ， 这给我们造成了一种错觉 ， 似乎石油浮在水面上是非常容易发现的事情 。 实际上 ， 这是泄漏非常严重才会出现的情景 ， 当石油管道或储油罐刚开始发生泄漏时 ， 只会在水面上漂浮薄薄的一层油膜 ， 仅凭借视觉观察是很难发现的 。 但由于油和水反射光的偏振特性相去甚远 ， 因此有了偏振成像技术 ， 哪怕只是薄薄的油层 ， 也能够很快发现 。 下图就是一个演示实验[注释3] ， 比较厚的油层（左侧）在普通观察下就很显眼 ， 而右侧较薄的油层几乎看不到；但无论油层是厚是薄 ， 在偏振相机中 ， 都显示为明显的黑色 。
（图片来自网络）
送你5个小tips ， 把大海拍的五彩斑斓
水面反射产生的部分偏振光中 ， 虽然存在反射率最高的“主波长” ， 但其反射率比其他波长高不了多少 ， 只是一种非常微弱的占优效应 ， 这点优势很容易被环境中其他光线掩盖 。 所以即使主波长随角度变化是客观存在的物理现象 ， 但观察到这种现象也并不容易 。 要想拍摄到五彩斑斓海面 ， 捕捉这种物理现象 ， 需要具备如下的几大要素：
首先 ， 天气晴朗 。 晴朗天气下太阳光线充足 ， 而且基本可以视作平行光 。
第二 ， 要对尽量大的范围进行拍摄 。 如果是小范围水面 ， 那么水面轻微波动等环境影响会远远大于反射光中主波长的影响 。 而对大范围海面拍摄时 ， 则会呈现相对平均化的结果 ， 减少其他因素干扰 。 从飞机上进行拍摄 ， 就是个不错的选择 。
第三 ， 拍摄时太阳高度要在25°-60°之间 ， 最好位于30°-55°之间 。
第四 ， 为相机配备偏振镜 。
第五 ， 运气要足够好 。 就算万事俱备 ， 但海面突然起了奇怪的风 ， 掀起了白色浪花 ， 或是目标拍摄位置突然飘来了大块云朵 ， 那就前功尽弃了 。
参考文献：
1. Pandolfo J. Polarization of sunlight reflected from the sea surface[J]. Journal of Geophysical Research, 1962, 67(11): 4303-4307.
2. Chenault D B, Vaden J, Mitchell D, et al. New IR polarimeter for improved detection of oil on water[J]. SPIE Newsroom, 2018.
_原题_：让大海变得五彩斑斓的“光学魔法”丨流光E彩
来源：中国科学院光电技术研究所 ， 转载自中科院之声公众号
编辑：Kun
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