偏振成像探测技术导论

第1章偏振概念与表征 偏振是光的固有特性之一，是光波横波性的一种外在表现。它独立于光波的强度、光谱，是光波在垂直于传播方向的平面内电矢量在不同方向上表现出的不相等现象。 太阳光本身是无偏光，但由菲涅耳反射定律及基尔霍夫定律可知，它与大气和物体表面作用后会起偏。也就是说，地表和大气中的任何物体在折射、反射和辐射光的过程中由于表面形貌、纹理、含水量、介电系数以及入射光角度的不同都会产生由其自身性质所决定的特征偏振。这表明偏振具有信息载体作用，若能有效获取偏振信息，则可获得大量的、以往强度与光谱不能反映的目标属性（如形状、结构、材质、表面特征与轮廓等）信息。绝大多数自然目标的偏振远远小于车辆、飞机等人造目标的偏振。 1.1偏振光的概念与分类 本节首先介绍光偏振现象的发现过程及解释，之后给出偏振光的概念、分类及光偏振态的表示方法。 1.1.1光偏振现象的发现与诠释 丹麦科学家拉斯穆 巴多林（RasmusBartholin）于1669年发现了光束通过冰洲石（Iceland　spar）时会出现双折射现象：照射到冰洲石上的光束会被折射分为两束，一束遵守普通折射定律，称为“寻常光”；另一束不遵守普通折射定律，称为“非常光”，如图1-1所示，但他无法解释这现象的物理机制。 克里斯蒂安 惠更斯也注意到这一奇特现象，并于1690年在其著作《光论》的后半部里进行了详细论述[1]。他认为这是由于空间存在两种不同物质，导致光被分为两束，分别以不同的波前及速度在空间传播，且这两束光与原光束的性质不同。将其中任一束光照射到绕光轴旋转的第二块冰洲石后，折射出来的两束光辐照度不断变化，有时甚至只留下一束光。由于他认为光波是纵波，无法解释这一现象。 艾萨克 牛顿看到这一现象，提出猜想：组成光束的粒子可能具有垂直于移动方向振动的性质。 双折射现象引起了法兰西学术院的注意，该学院于1808年提议将1810年物理奖比赛的题目定为“给出双折射现象的数学解释，并进行实验验证”。 马吕斯（Malus，1775—1812）（图1-2）决定参赛。他观察日光照到卢森堡宫玻璃窗的反射光束，发现特定入射角照射时，反射光的行为与惠更斯观察到的折射光性质类似，并称其为“偏振”性质，并提出猜想：组成光束的每一光线具有自身特定的不对称性；当所有光线具有相同的不对称性时，光束呈现偏振性；当光线不对称性随机指向不同方向时，光束具有非偏振性；处于以上两种情况之间时，光束具有部分偏振性。不单是玻璃，任何透明的固体或液体都会产生这种现象。他又实验总结出马吕斯定律[2]：一束光强为I0的线偏振光，透过检偏器以后，透射光的光强II0cos2.，式中.是线偏振光的光振动方向与检偏器透振方向间的夹角。马吕斯因其创意实验及丰硕成果，摘下1810年物理奖比赛桂冠，也被后人尊称为“偏振之父”。 后来，奥古斯丁 菲涅耳与弗朗索瓦 阿拉戈合作研究偏振对于托马斯 杨干涉实验的影响，但他们认为光波是纵波，无法给出合理解释。1817年，他们采纳了托马斯 杨的建议：假设光波是横向振动的横波，将其分解为两个相互正交的分量，有效解释了全偏振光的物理性质，但无法解释非偏振光或部分偏振光。 1852年，乔治 斯托克斯提出任何偏振态的偏振光（不仅包括全偏光，而且包括非偏振光与部分偏振光）都可以通过四个量化的测量值完整描述，这就是斯托克斯参数（Stokes　parameters）。 1928年，美国的埃德温 赫伯特 兰德做出了J型偏光片[3]，1938年发明了H型偏光片，从此，人们开始了对偏振光的认识、控制与探测等系列探索与应用。 1.1.2偏振光的概念 光具有波粒二象性，其本质是横向电磁波，其电场矢量E和磁场矢量H彼此正交[4]，且均与波传播方向垂直，如图1-3所示。因此要完全描述光波还必须指明光场中任一点、任一时刻光矢量的方向，即光波的矢量特性。光的偏振现象就是光矢量性质的表现。 光波的固有特性包括振幅、波长、位相、偏振[5]。 目前已知的光的作用效应一般都与其电场强度有关[6]。光在传播的过程中，其电场强度矢量以确定的频率在垂直于光传播方向的平面内发生周期性变化，矢端轨迹一般会形成一个椭圆，并且可以按照其绕光传播方向旋转的方式分为左旋和右旋两种。偏振就是表征光传播过程中电场矢量振动方向以一定频率周期性规则变化特征的一个物理量，它反映了在光传播过程中电磁场的振动形式。 光的偏振是普遍存在的，自然界中任何一个光子都是偏振的，但不同光子的偏振方式一般不同。光波在介质中传播或与介质界面作用时，其偏振状态会发生一定的变化，原因在于光与介质分子或各种杂质微粒的相互作用导致电磁场振动方式改变。光波偏振状态变化的情况与介质或界面的特点有关，于是，偏振状态自然也就携带了与光的辐射及传输过程有关的介质信息。这就为我们通过偏振测量来解释和利用目标及传输路径的光学特性提供了物理依据。 偏振光主要涉及近紫外、可见光和红外波段，图1-4为电磁波谱的示意图。作为特定波段的电磁波，光的传播符合麦克斯韦方程。光的偏振与微波波段的极化在物理本质上是一致的，只是由于历史的原因有了不同的称谓。 光的偏振状态需要两个独立的参数来确定。这两个参数可以选为椭圆长轴的 方向以及短轴与长轴之比。通过光学测量掌握光波的偏振状态，就可以准确获得描述偏振的物理参数并提取出其所携带的有关目标和传输过程的信息。 虽然每一个光子都是偏振的，但不同光子的偏振状态却不一致。因此，通常条件下接收到的光往往包含各种不同的偏振成分，测量结果反映的是大量不同偏振状态光子的统计行为，所以并不能对应于某一个特定的偏振状态。不过，自然光受环境影响通常都有一定的统计特异性，表现为“部分偏振光”。在很多情况下，需要对这些统计上的特异性有所了解。“偏振度”反映了不同偏振成分的比例，而“偏振化方向”描述电场强度矢量振动占优的方向。 粒子对光的散射作用，以及介质表面的反射和折射作用等都会影响光的偏振特性。太阳光在进入大气之前偏振很弱。进入大气层之后，由于大气和水圈中的空气分子、气溶胶粒子等对光的散射作用，以及水面、泥土、岩石、植被等的表面对光的反射作用，都会改变光的偏振特性，在天空中形成相对稳定的偏振特征分布。图1-5为大气中光的辐射传输示意图。 1.1.3偏振光的分类 根据偏振状态的不同，自然界中的光可分为三类（五种）。 1.非偏光（即自然光） 日常可见光的大多数光源，包括黑体辐射、荧光、太阳光等，发射出非相干光，意味着光源中处于激发态的原子或分子会独立、毫无关联地发射出随机偏振的电磁辐射波列，每个波列持续不到10.8s，所以，光波的偏振只能保持不超过10.8s，也就是说这种光由大量彼此无关的光子构成，它们各自具有自己的偏振状态，偏振方式随机变化，宏观统计平均在空间所有可能的方向上，没有哪个方向更有优势，所以经过时间积累而获得的观测结果通常不会表现出光波在振动方向或振动模式上的特异性，即光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同，我们称这种光波为“非偏振光”，也叫自然光，如图1-6所示。 2.完全偏振光 完全偏振光就是光传播的过程中大量粒子均具有相同振动方向的光，包含椭圆偏振光、圆偏振光、线偏振光。 1）椭圆偏振光 光在传播的过程中，光波电场强度矢量以确定的频率在垂直于光传播方向的平面内发生周期性变化，其矢端轨迹一般会形成一个椭圆，称为椭圆偏振光，如图1-7所示。迎着光传播方向看，若绕光传播方向顺时针方向旋转，则称右旋光；若逆时针方向旋转，则称左旋光。 2）圆偏振光圆偏振光是传播过程中电场强度矢端轨迹与传播方向垂直的平面内投影为圆的光，如图1-8所示。 圆偏振光是椭圆偏振光的特殊情形。在我们的观察时间段中平均后，圆偏振光看上去是与自然光一样的。但是圆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。 3）线偏振光 光矢量端点的轨迹为直线，即光矢量只沿着一个确定的方向振动，其大小随相位变化，方向不变，这样的光称为线偏振光，如图1-9所示。 线偏振也是椭圆偏振的特殊情况。 自然界中出现严格意义下的线偏振或圆偏振光的概率为零，但在椭圆非常狭长或非常饱满时可以分别近似视为线偏振或圆偏振。 3.部分偏振光 光波包含一切可能方向的振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有*大值和*小值的光称为部分偏振光，如图1-10所示。 部分偏振光是自然光与完全偏振光的混合体。 1.2光偏振态的表示方法 光的偏振态通常用四种方法表示，分别是：三角函数法、琼斯（Jones）矢量法，斯托克斯（Stokes）矢量法和庞加莱（Poincaré）球法[7]。