让大海变得五彩斑斓的“光学魔法”丨流光E彩
编者按：半个世纪光电情，披星戴月星辰明。中科院之声与中国科学院光电技术研究所联合开设“流光E彩”科普专栏，讲述生活中的光电科普趣事，传播最生动的光电知识，展示最前沿的光电进展。
“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。
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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，这就是蜗牛君今天为大家介绍的“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。
（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。
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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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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。
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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.
来源：中国科学院光电技术研究所
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