光學(xué)顯微鏡偏振光的基礎(chǔ)知識

光是一定波段范圍的電磁波，是由與傳播方向垂直的電場和磁場交替轉(zhuǎn)換的振動形成的。我們的眼睛能夠看到的只是電磁波中的一個很小的波長范圍，即400納米到700納米左右，這個范圍的電磁波稱為可見光。電磁波的振動方向與傳播方向是垂直的，我們稱之為橫波。橫波就必然有一個偏振的問題。由于同光學(xué)發(fā)展歷史有關(guān)的原因，人們常把磁矢量的方向叫做偏振方向，并把磁矢量的傳播方向所決定的平面叫做偏振面。

自然光：雖然光從本質(zhì)上來說是偏振的，但是自然界的大多數(shù)情況下，光表現(xiàn)出非偏振的。這是因為我們所看到的自然光（如太陽光，燈光）是由許多光波串組成的。這些光波串中每一串都是偏振的，但是它們的偏振方向是隨機的，不斷變化著的。在我們的觀察時間段里平均后，在任何一個方向上都沒有優(yōu)勢。這就是自然光，也叫非偏振光。

線偏振光：讓自然光通過一個起偏振器件后，只有一個方向的偏振光能夠通過這個器件，我們就得到了線偏振光。線偏振光的振動方向是確定的。

部分偏振光：如果線偏振光中混有一部分自然光，也就是說，這種光包含著各種方向的偏振光，而在某一方向的上體現(xiàn)出偏振的優(yōu)勢。這就是部分偏振光。

園偏振光：這種光的偏振方向是有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)著的。而光矢量在旋轉(zhuǎn)過程中的強度是保持一定的。也就是光矢量是沿著一個園旋轉(zhuǎn)的。這就是園偏振光。在我們的觀察時間段中平均后，園偏振光看上去是與自然光一樣的。但是園偏振光的偏振方向是按一定規(guī)律變化的，而自然光的偏振方向變化是隨機的，沒有規(guī)律的。

橢園偏振光：這種光的偏振方向也是在規(guī)律的旋轉(zhuǎn)著的，但是它的光矢量在旋轉(zhuǎn)過程中強度也在變化。也就是光矢量是沿著一個橢園旋轉(zhuǎn)的。橢園偏振光在觀察時間段里平均后的結(jié)果與部分偏振光相似。但是與部分偏振光不同，它的偏振方向以及光矢量的大小是按一定規(guī)律變化的。

用偏振濾鏡可以消除水面、玻璃面和其他非金屬表面反射光，這是因為在這些介面上反射光的偏振狀態(tài)發(fā)生了變化。

我們大家都知道，光在不同折射率的介質(zhì)的界面上會發(fā)生反射和折射。入射角與反射角、折射角的關(guān)系分別服從反射定律和折射定律。在非金屬的界面上，當(dāng)反射光線與折射光線成直角時，反射光線將是線偏振光，這就是有名的布儒斯特原理。此時的入射角就稱為布儒斯特角。

從下圖可以看出，當(dāng)光線從空氣（介質(zhì)1，嚴(yán)格地說應(yīng)該是真空）射入介質(zhì)2時，布儒斯特角的正切值等于介質(zhì)2的折射率n。由于介質(zhì)的折射率是與光波長有關(guān)的，對同樣的介質(zhì)，布儒斯特角的大小也是與光波長有關(guān)的。以光學(xué)玻璃折射率1.4-1.9計算，布儒斯特角大約為54-62度左右。當(dāng)入射角偏離布儒斯特角時，反射光將是部分偏振光。

下面這張照片拍攝時沒有加偏振濾鏡，玻璃面上的反射光現(xiàn)象很明顯。此照片拍攝時相機指向與玻璃大約成45度角。

下面的照片是加上偏振濾鏡后拍攝的。相機指向與玻璃仍然是45度角左右。可以看出，雖然偏振濾鏡消去了大部分的反射光，但是仍然有一部分反射光存在。這是因為在45度角離布儒斯特角甚遠，玻璃面上的反射光是部分偏振光，偏振濾鏡無法把這樣的反射光全部濾去。

下面這樣照片拍攝時調(diào)整了相機的位置，使相機與玻璃面的夾角大約在55度，基本上等于布儒斯特角。從玻璃面上反射光是線偏振光，用偏振濾鏡可以把反射光幾乎全部濾去。從這幾張照片中可以看出，只有在布儒斯特角入射的光線，其反射光才會是線偏振的。。另外，我們還應(yīng)該注意到，攝影中所用的線偏振濾鏡是用人造偏振片制成的。與實驗室里用于產(chǎn)生線偏振光的偏振器件如尼科爾棱鏡不同，人造偏振片是利用其對平行和垂直與光軸方向的偏振光吸收率不同（二向色性）而產(chǎn)生偏振光的。雖然我們稱其為線偏振濾鏡，但是我們要知道：線偏振并不“線”。因為自然光通過這種濾鏡后并不是真正的線偏振光，而是部分偏振光，其偏振度由人造偏振片的質(zhì)量決定。

園偏振鏡是由一塊線偏振鏡和一塊四分之一波片組成的。四分之一波片是用一種各向異性介質(zhì)做成的。光在這種介質(zhì)中傳播時，可以分解為兩種光矢量相互垂直的線偏振光，一種稱為尋常光線（Ordinary light，O光），另一種稱為非常光線（Extra-ordinary light，E光）。這兩種光在介質(zhì)中的傳播速度是不同的。當(dāng)一束線偏振光以適當(dāng)?shù)姆较颍雌穹较蚺cO光、E光方向均成45度）射入這種介質(zhì)中時，就能分解成強度相等的O光和E光在介質(zhì)中傳播（如下圖，紅色矢量表示入射偏振光方向，振動著的紅點分別表示O光和E光方向）。

由于O光與E光在各向異性介質(zhì)中的傳播速度不同，入射時線偏振光分解成的O光與E光是同相位的。經(jīng)過一段距離的傳播后，O光與E光之間就會產(chǎn)生一定的相位差。

如果各向異性介質(zhì)的厚度正好使O光與E光在射出介質(zhì)時的相位差為90度，即二分之一PI時，兩種光合成時就是一種光矢量（偏振面）沿著園周轉(zhuǎn)動的特殊偏振光。這種偏振面不斷地在轉(zhuǎn)動的偏振光就是園偏振光。（如下圖，紅點表示O光與E光，請注意，此時O光與E光有90度的位相差。紅色箭頭就是轉(zhuǎn)動著的合成光矢量。）

但是，如果O光與E光之間的位相差不是90度，則合成的光就會是不同橢園度的橢園偏振光（或者線偏振光）。下圖列出了幾種不同位相差時的情況。

我們知道，園周角是360度，相當(dāng)于一個波長。上述的90度位相差也就相當(dāng)于四分之一的波長。如果各向異性介質(zhì)的厚度正好能在O光與E光之間引起90度的位相差，就能把一定偏振方向的線偏振光“變成”園偏振光。因此我們稱其為四分之一波片。如果這種介質(zhì)的厚度引起了180度的位相差，就會使入射的線偏振光“轉(zhuǎn)過”了90度（下圖）。我們稱其為半波片。前面說過，園偏振濾鏡就是由線偏振鏡加上一塊四分之一波片組成的，而且，線偏振鏡的偏振方向與四分之一波片的O光（或E光）成45度的。

以上是園偏振鏡的原理，而我們實際上使用的園偏振濾鏡，并不能產(chǎn)生真正的園偏振光。這就是：園偏振并不“園”。

另外我們還必須考慮以下幾個因素：

，通過園偏振濾鏡后的光線仍然的橢園偏振光，仍然有反射光強減弱的問題。也就是說，即使用了園偏振濾鏡，也只是在一定程度上有所改善。

因此，線偏振濾鏡對AF的影響只是有可能使對焦失敗，并不影響對焦精度。這種情況在光線較暗的場合即使不用偏振鏡也會發(fā)生，此時完全可以用手動進行對焦。而且發(fā)生這種情況的可能性遠比想象的要低得多。

再來看看線偏振對自動測光的影響。下面是一張示意圖。自動測光實際上是根據(jù)傳感器上接收到的采樣光光強來計算成像光的光強的。很顯然，要計算結(jié)果正確，必要條件是采樣光與成像光的光強之比是一個固定值。如果入射光是線偏振光，由于此時反射光的光強與偏振光的偏振方向有關(guān)，對于同樣的成像光就會有不同的采樣光強。結(jié)果必然是測光不準(zhǔn)，影響了照片拍攝的效果。由于偏振光對反射的影響是減小了反射光強，造成的結(jié)果是使相機“誤以為”入射光很弱而增加了曝光量，也就是過曝。而園偏振濾鏡使入射光變成園偏振光，就可能避免測光不準(zhǔn)。

但是，由于上面所說的兩個因素，線偏振鏡造成的測光不準(zhǔn)的程度并不是想像中那么嚴(yán)重，而園偏振鏡也只是改善測光準(zhǔn)確度。特別是在DC的情況下，拍攝效果當(dāng)場可見，完全可以根據(jù)情況調(diào)整曝光量，或者采取向減少曝光量的方向包圍曝光。

偏振鏡對比作用：在一些情況下加上偏振光是有效果的如圖所示：

下圖是沒加偏振鏡的情況，反射光比較強使水底下的缸比較模糊。

這是用了偏振鏡的情況，水底下的缸清晰可見。