作者 | 西安電子科技大學(xué) 邵曉鵬教授

Polarization，在雷達(dá)領(lǐng)域稱之為“極化”，在光學(xué)領(lǐng)域則被叫做“偏振”。這個(gè)自從波動(dòng)光學(xué)建立以來就產(chǎn)生的名詞，大家耳熟能詳，但真能說出其內(nèi)涵的人肯定不占多數(shù)，盡管在物理課上學(xué)習(xí)了很多偏振相關(guān)的知識(shí)。

然而，生活中應(yīng)用到偏振的地方很多：蜜蜂等昆蟲靠偏振進(jìn)行導(dǎo)航，觀看3D電影要戴偏振眼鏡，液晶顯示屏是基于偏振的，我們戴的墨鏡也寫著偏振。在成像領(lǐng)域，很多研究人員都在做偏振成像的研究。有時(shí)我們驚奇地發(fā)現(xiàn)：不是說好的量子嗎，怎么變成了偏振？

昆蟲偏振導(dǎo)航

偏振太陽鏡

那么，偏振到底是什么？偏振是不是很重要？我們能用偏振干什么？起步很早的偏振成像遇到了哪些問題？偏振成像的前景怎么樣？

1 漫長的偏振歷史

1669年，丹麥科學(xué)家拉斯穆·巴多林第一次通過石英晶體發(fā)現(xiàn)了雙折射——“線條魔法（紙上一條線，透過石英看到兩條線）”；1690年，恵更斯在《光論》里對這一物理現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的論述，但無法解釋；同時(shí)代的牛頓對雙折射現(xiàn)象的成因進(jìn)行了猜測，但以失敗而告終，因?yàn)榕ｎD用光的粒子性解釋這種現(xiàn)象。1803年托馬斯·楊著名的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性，到了1808年，“偏振之父”馬呂斯在波動(dòng)光學(xué)的基礎(chǔ)上完美地解釋了雙折射現(xiàn)象，并將這種性質(zhì)稱為“偏振”，證實(shí)了偏振是光的一種固有特性，于第二年發(fā)表論文提出了著名的馬呂斯定律，從此開啟了人類認(rèn)知世界的又一個(gè)新維度。

左圖為雙折射現(xiàn)象，右圖為光的偏振特性

由于偏振是波動(dòng)光學(xué)的特性，需要用波動(dòng)方程來描述，導(dǎo)致在實(shí)際測量、描述、應(yīng)用計(jì)算中過于繁瑣，很難用。于是，天才數(shù)學(xué)家斯托克斯于1852年提出了著名的 Stoke向量來描述偏振光，使得偏振變得簡潔明了。你看，用四個(gè)參量S0、S1、S2、S3（也常用I、Q、U、V表示）組成4×1的列向量來確定光波的偏振態(tài)，比起復(fù)雜的波動(dòng)函數(shù)簡單多了。我們不禁感嘆，數(shù)學(xué)太重要了！

Stokes矢量

這才剛剛起步。1892年，龐加萊提出了能夠直觀描述偏振態(tài)的Poincaré球表示法，1941年，瓊斯引入Jones向量來描述，但該方法具有一定局限性，其只適用于完全偏振光，若想對于部分偏振光或非偏光進(jìn)行計(jì)算，則需使用穆勒矩陣。Mueller矩陣由美國物理學(xué)家穆勒于1943年提出，用于表示斯托克斯矢量之間的變換，矩陣由4×4共16個(gè)參量構(gòu)成。對于一般介質(zhì)，通常各個(gè)穆勒矩陣元都具有特定的物理意義。無論是Stokes向量還是Mueller矩陣，都能夠很好地描述偏振特性，在偏振成像中也扮演著重要角色。

Poincaré球

硫酸鎳晶體生長過程的Mueller矩陣[Gottlieb D, Optics Express, 2021, 29(21)]

以上是對偏振的“古老”回顧，那為何又說偏振很新鮮呢？原以為量子在中國鋪天蓋地轟轟烈烈地開花結(jié)果的我們發(fā)現(xiàn)，3D電影、偏振攝影、液晶顯示、墨鏡……都是偏振的。不是說好的量子嗎？怎么看到的大部分都是偏振呢？

偏振3D電影

液晶顯示

2 “無所不能”的偏振

首先，我們來看看偏振特性。根據(jù)偏振方向的不同，可以分為線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光。一般的，光的偏振程度可以根據(jù)偏振光強(qiáng)占總光強(qiáng)的比例分為非偏振光、部分偏振光和完全偏振光。偏振度和偏振角則是描述偏振特性的兩個(gè)重要參量。

線偏振光

自然光一般認(rèn)為是非偏振光，但是經(jīng)過物體表面反射后，在正交方向上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度差異性，從而出現(xiàn)偏振特性。紅外偏振特性是由于物體自身發(fā)出的紅外輻射遵從菲涅爾定律，從而產(chǎn)生偏振特性，這是偏振成像的主要依據(jù)。同時(shí)，光的偏振與物質(zhì)特性有關(guān)，據(jù)此，我們可以利用該特征進(jìn)行物質(zhì)分類和識(shí)別。

正是偏振的這些特點(diǎn)，它可以用在液晶顯示、3D電影、導(dǎo)航、材質(zhì)判別、光通信和量子態(tài)的判別等。這里簡單介紹一下量子與偏振的關(guān)系。量子糾纏是一種純粹發(fā)生于量子系統(tǒng)的現(xiàn)象；在經(jīng)典力學(xué)里，找不到類似的現(xiàn)象。1964年，貝爾提出了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：讓兩個(gè)糾纏的光子分別經(jīng)過兩個(gè)偏振片，然后在中央?yún)R合，從而可以從宏觀上用偏振觀測到量子糾纏，這就是量子離不開偏振的原因。

接下來，我們重點(diǎn)講一講“無所不能”的偏振成像。一提起偏振成像，大家馬上想到的就是去霧、去鏡面反射、水下成像和偽裝識(shí)別等，近幾年又興起了偏振三維成像，偏振成像從地面到太空，從大氣到海洋，從工業(yè)到醫(yī)療，幾乎滲透到了每一個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。但是，當(dāng)你問起偏振成像的用戶體驗(yàn)時(shí)，就會(huì)有“買家秀”和“賣家秀”的那種味道了，好聽一點(diǎn)就是：“有些時(shí)候確實(shí)能管點(diǎn)用?！边@是為什么呢？

偏振之所以這么能干是因?yàn)樗陨淼奈锢韺傩裕?strong style="color: blue;">物質(zhì)偏振特性的不同會(huì)導(dǎo)致探測信息的差異性，這是其最本質(zhì)的原因。這聽起來很美啊，為什么還會(huì)有“買家秀”的吐槽呢？因?yàn)槠耠m然是光的一種特性，但這種特性表現(xiàn)得并不明顯，我們必須通過一些光學(xué)器件才能夠觀察到它，探測手段也都是間接手段。特別是，偏振是借助于強(qiáng)度探測間接、且偏振特性的差異性太小，偏振片的能量損失也會(huì)導(dǎo)致信噪比嚴(yán)重下降。

偏振去霧是最早活躍在舞臺(tái)上的技術(shù)，到現(xiàn)在仍然是很有限地應(yīng)用。為什么偏振能去霧？這是因?yàn)槟繕?biāo)信息光與背景散射光存在偏振差異性，如果能比較準(zhǔn)確地估算出背景散射光強(qiáng)度的分布，就可以利用偏振差異性實(shí)現(xiàn)高清晰透霧霾成像。這本質(zhì)上是傳輸介質(zhì)與目標(biāo)的偏振特性不同，水下偏振成像同理。

聽起來很合理，可是為什么偏振去霧沒有得到廣泛應(yīng)用呢？甚至很多時(shí)候，偏振去霧的結(jié)果為什么不如暗通道等信號(hào)處理方法呢？水下偏振成像也是喊了很多年，雷聲大、雨點(diǎn)小，研究的多、應(yīng)用的少。

偏振去霧成像[Liu F, Applied Optics, 2015, 51(27)]

被動(dòng)偏振水下成像[Liu F, Optics Express, 2019, 27(3)]

高渾濁度偏振水下成像[Liu F, Optics Letters, 2018, 43(20)]

還有去反射光成像的案例。海面上經(jīng)常有魚鱗光反射，湖面反射的太陽光也很強(qiáng)，汽車前擋風(fēng)玻璃的鏡面反射經(jīng)常導(dǎo)致監(jiān)控失效，去除這種反射光比較有效的辦法是偏振成像，就是利用偏振的共模抑制特性消除反射光?？墒?，我們做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)用偏振難以徹底消除反射光，尤其是汽車的前擋風(fēng)玻璃，貼了車膜之后，轉(zhuǎn)了半天偏振片，還是看不到車內(nèi)的情況。

利用偏振對抗玻璃反光

偏振目標(biāo)探測同樣有問題，它通過求解場景中目標(biāo)物自身的偏振度和偏振角等偏振特性的真值來判斷物體本身的材質(zhì)和屬性等。物理上確實(shí)是那么回事，但是真正做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，恐怕場景復(fù)雜時(shí)識(shí)別率也不會(huì)很高。這又是怎么回事？在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，也經(jīng)?？吹狡癯上竦挠白?，癌細(xì)胞的偏振特性與普通細(xì)胞不一樣，Mueller矩陣的引入能辨識(shí)癌細(xì)胞。但，這些還處在研究階段。

偏振探測

以上這些都是利用偏振特性差異性做的幾類工作，從物理原理上來看，都沒有問題，但應(yīng)用時(shí)卻發(fā)現(xiàn)似是而非。我們來深度分析其中的原因。

前面已經(jīng)提到偏振特性不夠顯著是造成偏振成像的主要原因之一，況且偏振只能間接探測。問題就出在這里，進(jìn)行偏振測量時(shí)離不開偏振器件，這些偏振器件要么加在鏡頭上，要么鍍在探測器像元上，最終造成的結(jié)果都是能量損失，大多時(shí)候偏振探測的能量利用效率只有20-30%，甚至更低。這必然造成信噪比嚴(yán)重下降，使得本來就特征不太明顯的偏振信息沉入了噪聲的汪洋之中。

再進(jìn)一步分析，上面所說的偏振成像應(yīng)用其實(shí)還是處在原來維度處理問題，并沒有借助于偏振度和偏振角之類的信息提升維度。我們能不能認(rèn)為這實(shí)際上是在低維度徘徊呢？

回答這個(gè)問題之前，再看一個(gè)偏振與人工智能結(jié)合的例子。做出全球第一款商用偏振圖像傳感器的Sony公司研發(fā)人員M.Kato說：“我也認(rèn)同偏振圖像傳感器和人工智能是非常好的搭配，因?yàn)檫@樣能夠獲取更多的光信息，原理上可以提升識(shí)別精度。我們曾利用多種傳感器+深度學(xué)習(xí)技術(shù)比較人、車輛、透明瓶等物體的識(shí)別率，發(fā)現(xiàn)在測試環(huán)境中，無論什么情況下，都是偏振圖像傳感器的識(shí)別率更高?！边@是不是在告訴我們：偏振這個(gè)實(shí)際上比單獨(dú)的強(qiáng)度探測高一個(gè)維度的物理量，如果還是把它按照低維度使用，效果不會(huì)好到哪里去？

就像“自殺螺旋”：當(dāng)把一只螞蟻放在一張白紙上，用圓珠筆在螞蟻周圍圈出一個(gè)圈包圍它，此時(shí)，你會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)螞蟻接近圓圈時(shí)，它會(huì)迅速的回避用筆圈出來的線，之后，便會(huì)呈現(xiàn)無腦在圈內(nèi)打轉(zhuǎn)的情況，如果螞蟻一直找不到圓圈的出口，就會(huì)一直在圓圈中無限循環(huán)，直到累死。如果偏振成像不走出這個(gè)“自殺螺旋”，一直停留在低維空間，就很難有出路。

“自殺螺旋”

幸好，科學(xué)家們實(shí)現(xiàn)了偏振成像高維度應(yīng)用——偏振三維成像。它的原理其實(shí)很簡單，通過偏振度和偏振角的信息解譯出物體的三維形貌。看到?jīng)]？偏振度和偏振角都屬于高維度信息，利用這個(gè)高維度信息經(jīng)過變換推演至空間的另一個(gè)維度，變成了相對深度信息，這其實(shí)是保持了偏振成像的高維度特性。需要注意的是：由偏振三維成像解譯出來的“深度”是相對值，只有提供了物體的距離信息，才能計(jì)算出實(shí)際的物理深度。

最有意思的是，偏振三維成像的精度竟然能達(dá)到10這個(gè)量級(jí)，這是一般只能在3-5 m范圍內(nèi)發(fā)揮作用、只有厘米級(jí)精度的光場相機(jī)遙不可及的。我在第一篇文章里說過：幾何光學(xué)成像“一般能達(dá)到的精度為10^-2至10^-3數(shù)量級(jí)，難以實(shí)現(xiàn)10^-5到10^-6這樣數(shù)量級(jí)精度的跨越”。光場相機(jī)超過5 m之后幾乎不能談精度問題，而用偏振相機(jī)做100 m距離拍攝人臉，重建精度可達(dá)2 mm。甚至，我們用單個(gè)偏振相機(jī)拍攝36000 km外的月亮，竟然也能重建出環(huán)形山的三維形貌，這是其他光學(xué)成像方法無法做到的事情！

人臉偏振三維成像[Han P, Optics and Lasers in Engineering, 2022, 151:106925]

遠(yuǎn)距離高精度偏振三維成像

這件事再次證明：即使你已經(jīng)跨出了升往高維度空間的那一步，但你的思維如果還停留在“自殺螺旋”的低維度層次，依然無法欣賞到高維度空間的巔峰之美。

3 偏振探測器——偏振成像走向廣闊市場的鑰匙！

偏振成像的方法主要可以分為：分時(shí)的旋轉(zhuǎn)偏振片法、多孔徑偏振成像和直接利用偏振探測器成像。

旋轉(zhuǎn)偏振片的方法出現(xiàn)得最早，因?yàn)閿z影中經(jīng)常會(huì)采用偏振片抑制水面的反射光、壓低天空背景，會(huì)使相片色彩和層次感更強(qiáng)，所以，在相機(jī)鏡頭前加上偏振片，分別按照0°、45°、90°和135°角進(jìn)行拍攝四次，就可以獲得所需要的偏振信息。很顯然，這種方法非常簡單，成本低，易操作。但這種方法實(shí)際上采用的是以時(shí)間換空間的方法，時(shí)間分辨率差，只適用于靜態(tài)場景拍攝。

分時(shí)的旋轉(zhuǎn)偏振片法

偏振攝影

多孔徑偏振成像是利用4個(gè)相機(jī)共視場，每個(gè)相機(jī)鏡頭上固定放置0°、45°、90°和135°偏振片，是一種空間換空間的方法。這種方法成本偏高，對4個(gè)相機(jī)的共孔徑機(jī)械安裝要求比較高，同時(shí)對4個(gè)相機(jī)的拍攝同步觸發(fā)也有很高的要求。優(yōu)點(diǎn)是不僅適用于靜態(tài)場景，而且可以搭載在動(dòng)態(tài)平臺(tái)上。筆者參與研制的偏振三維成像的衛(wèi)星載荷就采用了這種方式。

偏振三維衛(wèi)星載荷

利用專用的偏振探測器做偏振成像是研究人員夢寐以求的，因?yàn)閷I(yè)偏振探測器可以跟普通的CCD、CMOS一樣使用，只需要加一個(gè)光學(xué)鏡頭就可以直接工作了。這實(shí)際上也是一種空間換空間的方法，因?yàn)閳D像傳感器中每4個(gè)像素合并為一組，每個(gè)像素分別鍍了0°、45°、90°和135°的偏振膜，犧牲了空間分辨率。顯然，這種方法是最佳的一種應(yīng)用模式，而關(guān)鍵問題是偏振探測器。前幾年，國內(nèi)外出現(xiàn)了很多這方面的研究，直到2017年下半年，Sony出品了全球第一款商用級(jí)別的偏振圖像傳感器，拉開了偏振成像進(jìn)入應(yīng)用的序幕。

Sony分焦平面偏振探測器

分焦平面偏振探測

故事講到這里是不是已經(jīng)很讓人振奮了？理想是豐滿的，但現(xiàn)實(shí)比較“骨感”，主要有兩個(gè)原因：（1）偏振探測器太貴了，目前只有一種探測器，沒得選擇，并且，沒有國產(chǎn)的偏振探測器；（2）偏振成像的應(yīng)用認(rèn)可度低，甚至連Sony自己都不知道到底具體可以用到哪些地方。

沒有廉價(jià)的偏振探測器，很難大范圍推廣偏振應(yīng)用；同樣，偏振成像如果不能很好地解決實(shí)際應(yīng)用問題，用戶不認(rèn)可，推廣也很艱難。

那么，偏振探測器是不是真的很難？難，其實(shí)也不難。

偏振探測器首先是有足夠高的消光比，才能夠有足夠的能量進(jìn)入到探測單元，保證信噪比。同時(shí)，還需要克服透光率與消光比的相互制約。

從工藝穩(wěn)定性和可靠性的角度出發(fā)，采用氧化膜填充偏振片的超薄金屬板間隙，但該方法造成消光比和透光率相互制約。理論上，只要使偏振片的寬度和間隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光的波長（即更細(xì)的光柵和更窄的間隙），就能提高性能，但是金屬加工技術(shù)無法滿足。如果利用氧化膜填充，光經(jīng)過氧化膜后，波長變短，需要進(jìn)一步縮小偏振片的寬度和間隙。Sony公司將偏振片的間隙變成空氣層的氣隙結(jié)構(gòu)，解決了相互制約的問題，但加工精度、氣隙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性還存在挑戰(zhàn)。這是我們能夠看到的關(guān)于偏振探測器的報(bào)道。

這些都是從技術(shù)層面講的，但真正難的不是技術(shù)，是市場。只有應(yīng)用前景好，廠商才愿意去投資生產(chǎn)偏振探測器，這恰恰又回到了技術(shù)，那就是偏振成像技術(shù)需要能夠真正解決問題。

4 偏振成像的未來是什么？

人類是生活在低維度世界里的生物，只有極少數(shù)人能理解高維度空間。正是因?yàn)?/span>人類缺少對高維度空間的認(rèn)知和理解，而光電成像實(shí)際上是高維度數(shù)據(jù)的維度坍塌，變成了人類“熟悉”的二維模式——圖像，造成了即使我們獲得了高維度的數(shù)據(jù)，卻在低維度空間里看它的各種映射，就像瞎子摸象。

這個(gè)問題拓展到人工智能的領(lǐng)域，亦是如此。目前，深度學(xué)習(xí)的樣本空間多為圖像，即使是三維點(diǎn)云，也將深度信息映射為二維圖像的灰度，這種維度坍塌造成的結(jié)果是與人類認(rèn)知世界的實(shí)際模式相異，所以，目前的人工智能只能處理二維數(shù)據(jù)，三維點(diǎn)云輸入到模型中后，變成了一個(gè)二維空間的映射，當(dāng)然識(shí)別率會(huì)下降，原因就是維度沒有充分利用。

高維空間

“瞎子摸象”

計(jì)算光學(xué)成像是升維的過程，偏振成像也是如此，是在光場中引入了偏振這個(gè)維度。但我認(rèn)為任何見到偏振成像的人都是在通過若干二維的映射空間來試圖理解偏振，這實(shí)際上是人類自身的不足，難以解決。

人類有眼睛可以看世界，有耳朵可以聽聲音，有鼻子可以嗅氣味，還有耳蝸能感知慣性，平衡身體，但人類沒有蜜蜂、蜘蛛和章魚等感知偏振的本領(lǐng)，也不能像蛇一樣感知紅外，更不能像雄鷹一樣在萬米高空看到地面上的老鼠。我們不能感知偏振這類高級(jí)玩意兒，以至于我們一談起偏振，就有點(diǎn)蒙圈。人類一旦陷入低維度世界，就變得像螞蟻看人類，也容易陷入“自殺螺旋”。

偏振成像這個(gè)升維的過程從理論上來講，在低維度空間里得不到的東西，其實(shí)可以借助偏振的信息“看”得到?？墒牵覀冊谔幚砗芏鄦栴}的時(shí)候習(xí)慣把高維的東西投影到低維，變成熟悉的東西，比如圖像。處理偏振圖像也是如此思維，將偏振信息向不同低維度投影，降維成一般圖像使用，硬是把一個(gè)“白天鵝”變成了“丑小鴨”。

對于偏振來講，一定要把偏振度和偏振角這兩個(gè)信息用好。前面講的偏振應(yīng)用，去霧、去反射光和偏振目標(biāo)探測基本上只用了偏振度這個(gè)信息，偏振角幾乎沒有用到；只有在偏振三維成像中這兩個(gè)量都用到了，并且沒有降維。從另外一個(gè)角度看，去霧、去反射光和偏振目標(biāo)探測等應(yīng)用必須要發(fā)揮偏振角這個(gè)量的作用，達(dá)到升維的目的，才能更好地解決問題。

利用偏振角進(jìn)行應(yīng)力檢測

這里，我要再次強(qiáng)調(diào)一下偏振對物理光場的作用。在散射成像中，寬光譜是非常難以克服的問題，但我們引入了偏振信息之后發(fā)現(xiàn)：這道在強(qiáng)度探測維度難以跨越的鴻溝竟然變成了坦途，再次驗(yàn)證了高維度物理光場的優(yōu)勢。

我相信偏振成像一定擁有美好的未來。在多種規(guī)格偏振探測器量產(chǎn)、探測靈敏度和信噪比等問題解決后，偏振成像一定會(huì)在工業(yè)檢測、機(jī)器視覺、監(jiān)控、手機(jī)攝影、3D攝影和三維目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域大放異彩。

讓我們一起迎接偏振成像的美好明天吧！

衛(wèi)星遙感

三維遙感技術(shù)對地觀測

M87星系中黑洞的偏振觀測圖像與擬合圖像，線標(biāo)志著偏振方向

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原標(biāo)題：偏振：古老卻依然很新鮮｜邵曉鵬教授專欄

來源：中國激光雜志社

編輯：利有攸往