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(lái)就產(chǎn)生的名詞，大家耳熟能詳，但真能說(shuō)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(shuō)好的量子嗎，怎么變成了偏振？

昆蟲偏振導(dǎo)航

偏振太陽(yáng)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(wèn)題？偏振成像的前景怎么樣？

1 漫長(zhǎng)的偏振歷史

1669年，丹麥科學(xué)家拉斯穆·巴多林第一次通過(guò)石英晶體發(fā)現(xiàn)了雙折射——“線條魔法（紙上一條線，透過(guò)石英看到兩條線）”；1690年，恵更斯在《光論》里對(duì)這一物理現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的論述，但無(wú)法解釋；同時(shí)代的牛頓對(duì)雙折射現(xiàn)象的成因進(jìn)行了猜測(cè)，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(lái)描述，導(dǎo)致在實(shí)際測(cè)量、描述、應(yīng)用計(jì)算中過(guò)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(lái)描述偏振光，使得偏振變得簡(jiǎn)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(lái)確定光波的偏振態(tài)，比起復(fù)雜的波動(dòng)函數(shù)簡(jiǎn)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(lái)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(duì)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(guó)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(duì)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(wú)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(zhǎng)過(guò)程的Mueller矩陣[Gottlieb D, Optics Express, 2021, 29(21)]

以上是對(duì)偏振的“古老”回顧，那為何又說(shuō)偏振很新鮮呢？原以為量子在中國(guó)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(shuō)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(wú)所不能”的偏振

首先，我們來(lái)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(guò)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(jiǎn)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(guò)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(cè)到量子糾纏，這就是量子離不開偏振的原因。

接下來(lái)，我們重點(diǎn)講一講“無(wú)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(wèn)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。”這是為什么呢？

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(cè)信息的差異性，這是其最本質(zhì)的原因。這聽起來(lái)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(guò)一些光學(xué)器件才能夠觀察到它，探測(cè)手段也都是間接手段。特別是，偏振是借助于強(qiáng)度探測(cè)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(lái)很合理，可是為什么偏振去霧沒(méi)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(yáng)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?？墒牵覀冏鰧?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(duì)抗玻璃反光

偏振目標(biāo)探測(cè)同樣有問(wèn)題，它通過(guò)求解場(chǎng)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(lái)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(chǎng)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癯上竦挠白樱┘?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(cè)

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(lái)看，都沒(méi)有問(wèn)題，但應(yīng)用時(shí)卻發(fā)現(xiàn)似是而非。我們來(lái)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(cè)。問(wèn)題就出在這里，進(jìn)行偏振測(cè)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?cè)谔綔y(cè)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(cè)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(lái)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(shuō)的偏振成像應(yīng)用其實(shí)還是處在原來(lái)維度處理問(wèn)題，并沒(méi)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(wèn)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(shuō)：“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?cè)枚喾N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(cè)試環(huán)境中，無(wú)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(cè)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(lái)的線，之后，便會(huì)呈現(xiàn)無(wú)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(wú)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(jiǎn)單，通過(guò)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(guò)變換推演至空間的另一個(gè)維度，變成了相對(duì)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(lái)的“深度”是相對(duì)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(chǎng)相機(jī)遙不可及的。我在第一篇文章里說(shuō)過(guò)：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(chǎng)相機(jī)超過(guò)5 m之后幾乎不能談精度問(wèn)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(wú)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(wú)法欣賞到高維度空間的巔峰之美。

3 偏振探測(cè)器——偏振成像走向廣闊市場(chǎng)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(cè)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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)，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(duì)4個(gè)相機(jī)的共孔徑機(jī)械安裝要求比較高，同時(shí)對(duì)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(chǎng)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(cè)器做偏振成像是研究人員夢(mèng)寐以求的，因?yàn)閷I(yè)偏振探測(cè)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(wèn)題是偏振探測(cè)器。前幾年，國(guó)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(cè)器

分焦平面偏振探測(cè)

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(cè)器太貴了，目前只有一種探測(cè)器，沒(méi)得選擇，并且，沒(méi)有國(guó)產(chǎn)的偏振探測(cè)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(méi)有廉價(jià)的偏振探測(cè)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(wèn)題，用戶不認(rèn)可，推廣也很艱難。

那么，偏振探測(cè)器是不是真的很難？難，其實(shí)也不難。

偏振探測(cè)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(cè)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(zhǎng)（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(wú)法滿足。如果利用氧化膜填充，光經(jīng)過(guò)氧化膜后，波長(zhǎng)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(wèn)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(cè)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(chǎng)。只有應(yīng)用前景好，廠商才愿意去投資生產(chǎn)偏振探測(cè)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(wèn)題。

4 偏振成像的未來(lái)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(duì)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(wèn)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(méi)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(guò)程，偏振成像也是如此，是在光場(chǎng)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(guò)若干二維的映射空間來(lái)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(méi)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(wàn)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(guò)程從理論上來(lái)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?，我們?cè)谔幚砗芏鄦?wèn)題的時(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(duì)于偏振來(lái)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(cè)基本上只用了偏振度這個(gè)信息，偏振角幾乎沒(méi)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(méi)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(cè)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(wèn)題。

利用偏振角進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)

這里，我要再次強(qiáng)調(diào)一下偏振對(duì)物理光場(chǎng)的作用。在散射成像中，寬光譜是非常難以克服的問(wèn)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(cè)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(chǎng)的優(yōu)勢(shì)。

我相信偏振成像一定擁有美好的未來(lái)。在多種規(guī)格偏振探測(cè)器量產(chǎn)、探測(cè)靈敏度和信噪比等問(wèn)題解決后，偏振成像一定會(huì)在工業(yè)檢測(cè)、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(duì)地觀測(cè)

M87星系中黑洞的偏振觀測(cè)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(lái)源：中國(guó)激光雜志社

編輯：利有攸往