偏振

一、什么是偏振光

光是一定波段范围的电磁波，是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的。我们的眼睛能够看到的只是电磁波中的一个很小的波长范围，即400纳米到700纳米左右，这个范围的电磁波称为可见光。电磁波的振动方向与传播方向是垂直的，我们称之为横波。横波就必然有一个偏振的问题。由于同光学发展历史有关的原因，人们常把磁矢量的方向叫做偏振方向，并把磁矢量的传播方向所决定的平面叫做偏振面。

自然光：虽然光从本质上来说是偏振的，但是自然界的大多数情况下，光表现出非偏振的。这是因为我们所看到的自然光（如太阳光，灯光）是由许多光波串组成的。这些光波串中每一串都是偏振的，但是它们的偏振方向是随机的，不断变化着的。在我们的观察时间段里平均后，在任何一个方向上都没有优势。这就是自然光，也叫非偏振光。

线偏振光：让自然光通过一个起偏振器件后，只有一个方向的偏振光能够通过这个器件，我们就得到了线偏振光。线偏振光的振动方向是确定的。

部分偏振光：如果线偏振光中混有一部分自然光，也就是说，这种光包含着各种方向的偏振光，而在某一方向的上体现出偏振的优势。这就是部分偏振光。

园偏振光：这种光的偏振方向是有规律的旋转着的。而光矢量在旋转过程中的强度是保持一定的。也就是光矢量是沿着一个园旋转的。这就是园偏振光。在我们的观察时间段中平均后，园偏振光看上去是与自然光一样的。但是园偏振光的偏振方向是按一定规律变化的，而自然光的偏振方向变化是随机的，没有规律的。

椭园偏振光：这种光的偏振方向也是在规律的旋转着的，但是它的光矢量在旋转过程中强度也在变化。也就是光矢量是沿着一个椭园旋转的。椭园偏振光在观察时间段里平均后的结果与部分偏振光相似。但是与部分偏振光不同，它的偏振方向以及光矢量的大小是按一定规律变化的。

用偏振滤镜可以消除水面、玻璃面和其他非金属表面反射光，这是因为在这些介面上反射光的偏振状态发生了变化。

二、偏振镜有什么用

我们大家都知道，光在不同折射率的介质的界面上会发生反射和折射。入射角与反射角、折射角的关系分别服从反射定律和折射定律。在非金属的界面上，当反射光线与折射光线成直角时，反射光线将是线偏振光，这就是有名的布儒斯特原理。此时的入射角就称为布儒斯特角。

从下图可以看出，当光线从空气（介质1，严格地说应该是真空）射入介质2时，布儒斯特角的正切值等于介质2的折射率n。由于介质的折射率是与光波长有关的，对同样的介质，布儒斯特角的大小也是与光波长有关的。以光学玻璃折射率1.4-1.9计算，布儒斯特角大约为54-62度左右。当入射角偏离布儒斯特角时，反射光将是部分偏振光。

下面这张照片拍摄时没有加偏振滤镜，玻璃面上的反射光现象很明显。此照片拍摄时相机指向与玻璃大约成45度角。

下面的照片是加上偏振滤镜后拍摄的。相机指向与玻璃仍然是45度角左右。可以看出，虽然偏振滤镜消去了大部分的反射光，但是仍然有一部分反射光存在。这是因为在45度角离布儒斯特角甚远，玻璃面上的反射光是部分偏振光，偏振滤镜无法把这样的反射光全部滤去。

下面这样照片拍摄时调整了相机的位置，使相机与玻璃面的夹角大约在55度，基本上等于布儒斯特角。从玻璃面上反射光是线偏振光，用偏振滤镜可以把反射光几乎全部滤去。从这几张照片中可以看出，只有在布儒斯特角入射的光线，其反射光才会是线偏振的。。另外，我们还应该注意到，摄影中所用的线偏振滤镜是用人造偏振片制成的。与实验室里用于产生线偏振光的偏振器件如尼科尔棱镜不同，人造偏振片是利用其对平行和垂直与光轴方向的偏振光吸收率不同（二向色性）而产生偏振光的。虽然我们称其为线偏振滤镜，但是我们要知道：线偏振并不“线”。因为自然光通过这种滤镜后并不是真正的线偏振光，而是部分偏振光，其偏振度由人造偏振片的质量决定。

三、什么是圆偏

园偏振镜是由一块线偏振镜和一块四分之一波片组成的。四分之一波片是用一种各向异性介质做成的。光在这种介质中传播时，可以分解为两种光矢量相互垂直的线偏振光，一种称为寻常光线（Ordinary light，O光），另一种称为非常光线（Extra-ordinary light，E光）。这两种光在介质中的传播速度是不同的。当一束线偏振光以适当的方向（即偏振方向与O光、E光方向均成45度）射入这种介质中时，就能分解成强度相等的O光和E光在介质中传播（如下图，红色矢量表示入射偏振光方向，振动着的红点分别表示O光和E光方向）。

由于O光与E光在各向异性介质中的传播速度不同，入射时线偏振光分解成的O光与E光是同相位的。经过一段距离的传播后，O光与E光之间就会产生一定的相位差。

如果各向异性介质的厚度正好使O光与E光在射出介质时的相位差为90度，即二分之一PI时，两种光合成时就是一种光矢量（偏振面）沿着园周转动的特殊偏振光。这种偏振面不断地在转动的偏振光就是园偏振光。（如下图，红点表示O光与E光，请注意，此时O光与E光有90度的位相差。红色箭头就是转动着的合成光矢量。）

但是，如果O光与E光之间的位相差不是90度，则合成的光就会是不同椭园度的椭园偏振光（或者线偏振光）。下图列出了几种不同位相差时的情况。

我们知道，园周角是360度，相当于一个波长。上述的90度位相差也就相当于四分之一的波长。如果各向异性介质的厚度正好能在O光与E光之间引起90度的位相差，就能把一定偏振方向的线偏振光“变成”园偏振光。因此我们称其为四分之一波片。如果这种介质的厚度引起了180度的位相差，就会使入射的线偏振光“转过”了90度（下图）。我们称其为半波片。前面说过，园偏振滤镜就是由线偏振镜加上一块四分之一波片组成的，而且，线偏振镜的偏振方向与四分之一波片的O光（或E光）成45度的。

以上是园偏振镜的原理，而我们实际上使用的园偏振滤镜，并不能产生真正的园偏振光。这就是：园偏振并不“园”。

四、偏振镜的优劣

首先，市场上的园偏振镜多如牛毛，到底质量如何呢？如何来判别呢？有一个最简单的方法：我们知道，液晶屏发出来的光是线偏振光，判断园偏振镜质量好不好，只要对着液晶屏看一看就行了。到商店购买园偏振镜，DC的液晶屏就是理想的检验工具。

如果把园偏振镜螺纹一边对自己，通过园偏振镜看晶液屏同时转动偏振镜就会发现光强变化很大。下图是最亮时的情况，偏振镜里外的亮度几乎一样。

下图是最暗时的情况，此时偏振镜的光轴方向与液晶屏发出的偏振光方向垂直，偏振镜里是全黑。

我们把园偏振镜反过来，让螺纹向着液晶屏（与安装在相机上的方向相反）。同样通过偏振镜来看液晶屏。这是最亮时的情况。园偏振镜里外的亮度也几乎相同。

再转动偏振镜，看一看最暗时的情况。如果通过这个园偏振镜后的光是理想的园偏振光，转动园偏振镜时我们看到的亮度应该是不变的。因此，转动时亮度变化小，说明该园偏振镜的质量就好，反之，质量就差。下图中的这个园偏振镜所得结果是说明其质量很差。

这个就是上面做测试的园偏振镜。可惜是价廉物不美。

高档名牌园偏振镜的情况又是如何呢？现在用高坚（COKIN）园偏振镜做一下同样的试验。高坚系列滤镜是世界上的著名品牌，其质量在诸多品牌中是名列前茅的。这是最亮时的情况。

这是最暗时的情况。我们发现，情况有了非常大的改善。但是差别仍然是存在的。说明即使是高坚这样的名牌，通过滤镜后的光仍然是椭园偏振光。只是椭园度较小而已。而实际上，理想的园偏振滤镜是不可能存在的。这是因为四分之一波片的厚度是与波长有关的。对于某一波长而言是四分之一波片，对其他波长就不是四分之一波片。一般的园偏振滤镜都取可见光的中间波长，即绿光为准。而在其他波长，如红光，蓝光或紫光时，就会产生椭园偏振光。再说，前面的计算是对正入射光线而言的，而对于斜入射光线而言，当然也会引起椭园偏振光，这种情况在广角拍摄时尤其显著。

五、线偏还是圆

很明显，园偏振镜比线偏振镜的价格高，而作为偏振滤镜在消除有害眩光等作用方面与线偏振镜是完全一样的。那未，为什么要用园偏振镜呢？这是因为在自动测光（AE）、自动测距（AF）的单反相机上使用线偏振镜，就有可能引起测光不准和测距失效。而园偏振镜可以改善这种情况。让我们回到本文题目上来：线偏振versus园偏振，优劣如何评说？

我们知道，相机的自动测光（AE）和自动对焦（AF）功能都是通过采样光经过计算来实现的。得到采样光有两种方式，一种是通过专门的窗口来获取采样光，如旁轴类相机，双镜头类相机等。此类相机根本就不必使用园偏振镜。另一种是通过采样反射镜从镜头的拍摄光中取出一部分采样光（单反相机，SLR等），对采样光进行计算来得到AE，AF的数据。由于采样反射镜往往是非金属材料（玻璃）的，当入射光为偏振光时其反射光强就与入射偏振光的偏振方向有关。在某些情况下，就会对AE、AF发生影响。此类相机用园偏振滤镜就比用线偏振镜好。

先来看看自动对焦的情况（下图）。从图中以看出，自动对焦时通过光线照射在CCD上的位置不同来获取对焦误差信息的。而反射镜在偏振光的情况下只影响反射光的强度，并不影响反射光的方向。从这点上来看，无论是线偏振镜还是园偏振镜对自动对焦是没有任何影响的。只是在入射光线较暗的情况下，再经过采样反射镜受偏振光的影响，至使最后达到CCD上的光强太弱而无法检别，才会引起对焦失败。

另外我们还必须考虑以下几个因素：

1，采样反射镜通常是与入射光线成45度角的，即把光线转过一个直角（见上图）。而空气到玻璃的布儒斯特角与45度相去甚远，由于偏振而引起的反射光强减弱是有限的。

2，通过园偏振滤镜后的光线仍然的椭园偏振光，仍然有反射光强减弱的问题。也就是说，即使用了园偏振滤镜，也只是在一定程度上有所改善。

因此，线偏振滤镜对AF的影响只是有可能使对焦失败，并不影响对焦精度。这种情况在光线较暗的场合即使不用偏振镜也会发生，此时完全可以用手动进行对焦。而且发生这种情况的可能性远比想象的要低得多。

再来看看线偏振对自动测光的影响。下面是一张示意图。自动测光实际上是根据传感器上接收到的采样光光强来计算成像光的光强的。很显然，要计算结果正确，必要条件是采样光与成像光的光强之比是一个固定值。如果入射光是线偏振光，由于此时反射光的光强与偏振光的偏振方向有关，对于同样的成像光就会有不同的采样光强。结果必然是测光不准，影响了照片拍摄的效果。由于偏振光对反射的影响是减小了反射光强，造成的结果是使相机“误以为”入射光很弱而增加了曝光量，也就是过曝。而园偏振滤镜使入射光变成园偏振光，就可能避免测光不准。

但是，由于上面所说的两个因素，线偏振镜造成的测光不准的程度并不是想像中那么严重，而园偏振镜也只是改善测光准确度。特别是在DC的情况下，拍摄效果当场可见，完全可以根据情况调整曝光量，或者采取向减少曝光量的方向包围曝光。

六、实例

偏振滤镜可以说是摄影中最重要的滤镜之一。了解了偏振滤镜的原理，有助于用好偏振滤镜。