圆偏振在物证摄影中的应用

晋江市公安局刑事科学技术室 邓武平 赵宇飞

1 圆偏振摄影原理

1.1 圆偏振光的定义

圆偏振光的电矢量E，它们的振动方向随着时间有规律地变化，振动平面绕光速方向旋转。电矢量E的端点的轨迹呈圆形的偏振光称为圆偏振光,如图1所示。

图1 圆偏振光矢量图

1.2 圆偏振光的产生与1/4波长波片的作用以及二者之间的影响

波片是从单轴双折射晶体上平行于光轴方向截下的薄片。若平面偏振光垂直入射波片，且其振动面（振动方向与传播方向所确定的平面）与波片的光轴成α角，则在波片内入射光被分解成振动方向互为垂直的两束平面偏振光，称为o光和e光。它们的传播方向一致，但在晶体内因传播速度不同而产生一定的相位差，当它们经过厚度为d的波片时，光程差为（n0-ne）d，即相应的相位差为∶

式中，λ为入射光波长，n0和ne分别为波片对o光和e光的折射率。显然，通过波片后的偏振光，将是沿同一方向传播的两个平面偏振光叠加的结果。由于o光和e光的振幅不等，有一定相位差，且振动方向互相垂直，一般合成为椭圆偏振光。椭圆的形状随o光和e光的相位差值的不同而改变。对于同种波片，决定椭圆形状的因素是入射光的振动方向与波片光轴的夹角α以及波片的厚度。

若相位差△Ф=2kπ，k=1,2,3…，则

故波片的厚度为波长的整数倍，称为全波片，从波片透射的光为平面偏振光。

若△Ф=（2k+1）π，k=1,2,3…，则波片称为1/2波片（或λ/2片），其最小厚度为：

从波片透射出的光为平面偏振光，但振动面相对于入射光转过2α角。

若△Ф=（2k+1）π/2,k=1,2,3…，则波片称为1/4波片（或λ/4 片），其最小厚度为∶

这时一般从波片透射出的光为椭圆偏振光。但是，当α=0或α=π/2时，透射光为平面偏振光；当α=π/4时，透射光为圆偏振光，如图2所示。

图2 圆偏振光形成机理

1.3 圆偏振摄影的定义

圆偏振光照明方法显现和加强指印的使用客体表面为光滑平面，客体表面光泽度越高，其表面定向反射能力越强，定向反射照明的显现效果就越好。

圆偏振光照明方法是将线偏振镜与1/4波长的波片组合构成圆偏振镜（CPL），加载在相机镜头前，入射光为线偏振光时，当偏振光的电矢量振动方向和晶片的光轴成的角度为π/4时，出射光为圆偏振光。其实验配光图见图3。

图3 圆偏振光摄影实验配光

图4

1.4 圆偏振摄影的作用特点和原理

图4 中，R 是光在物体表面的反射率，T 是光的入射角。p 是平行于光的反射面的偏振光， s 是垂直于光的反射面的偏振光。

从非金属表面反射出的 p 部分本来就很少，所以拍摄者只需要用偏振镜把 s 部分过滤掉就可以得到一张满意的照片。至于金属，无论是过滤 s 部分还是 p 部分，另一部分的光还是会被反射到镜头里，所以偏振镜怎么转，金属的反光都不会被过滤掉。

因此利用金属表面的反射光有不会被滤掉的特性，当入射光线为偏振光照射在金属客体上时，由于潜在指纹微小颗粒组成的纹线呈一定程度上的漫反射特性，对入射光有一定的退偏作用，使照射在指纹纹线的反射光的偏振方式发生了径向变化，变成了多重径向的偏振光，而金属客体表面的反射光仍然是单一径向的偏振光，进过 1/4波长的波片之后呈饱和通过，当镜头上的偏振镜改变其偏振化方向时，指纹纹线上处于各种偏振态的反射光亮度随之发生变化，金属客体的反光亮度几乎没有改变，因此形成了潜在指纹与金属客体之间的亮度反差。

1.5 圆偏振摄影的适用范围

圆偏振摄影方法适合于显现和加强各种常见的承痕客体为光滑金属客体表面上的指印，这些指印纹线物质的反射性质虽然各有不同，但它们都呈现非定向反射性质，它们在反射照明的接收记录方向上的反射光线将远远弱于光滑表面在这个方向上的反射光线，使纹线与背景之间出现很大的亮度反差。指印纹线物质数量越多，对光线的散射能力越强，指印纹线的反射分量相对越小，经过偏振光反射照明的反差就越大。

2 影响圆偏振拍摄的因素

2.1 环境光线干扰

被检物体在照明检验中受到其他光线照射干扰，例如环境光线，圆偏振照明检验的效果将会受到影响甚至完全没有效果。环境干扰光线照射在检材上会增加指印纹线反射光和物体内反射光在观察拍照方向上的分量，而干扰光线形成的表面定向反射光线不出现在观察拍照方向上，导致指印纹线反射光和内反射光分量相对增加。因此环境干扰光线会减弱指印纹线与背景之间的亮度反差，同时增加背景图案的显示。实践表明，环境干扰光线对照明检验效果的影响十分明显，在进行照明检验时应尽量在全黑的场景中进行拍摄。

2.2 选择面光源

圆偏振光摄影方法需要使用面光源，否则难于形成足够面积的光斑。相对于点光源和平行光束光源，使用面光源拍照效果最好。面光源具有光斑均匀的优点，均匀的浅色调背景可以使指印纹线与背景之间的反差得到较好的显示，同时为了显示微弱痕迹可以配合使用多波段光源进行打光，在加强主客体之间反差的同时很好地反映痕迹的细节特征。

3 实验部分

3.1 圆偏振摄影方法基本操作步骤

3.1.1 将照相机固定在翻拍架上或三脚架上；

3.1.2 对检材上的指印区域取景并调节焦点至清晰位置；

3.1.3 将圆偏振镜旋转连接在照相机镜头前面；

3.1.4 用面光源对准被摄物体；

3.1.5 确定光源位置：微调光源位置，同时从照相机取景器内观察被检验区域表面的反射光情况，当看到区域内出现反射光形成的反射光斑时，将光源位置固定下来；

3.1.6 曝光拍照：按测光表测量值增加1～2档曝光量进行曝光。

3.2 线偏振光摄影方法的基本操作步骤

3.2.1 将照相机固定在翻拍架或三脚架上；

3.2.2 对检材上的指印区域取景和调焦，让照相机镜头轴线与被检验区域表面的法线成一个固定的夹角；

3.2.3 被检验区域表面的法线为中心，在与相机对应的另一侧相同角度的方向上用面光源照射指印区域；

3.2.4 微调光源位置：同时从相机取景器内观察被摄区域表面的反射光情况，当看到区域内出现表面反射光形成的反射光斑时，将光源位置固定下来；

3.2.5 曝光拍照：按测光表测量值增加1～2档曝光量进行曝光。

3.3 实验结果及分析

菜刀上潜在汗液指印的拍照效果。图5为菜刀上汗潜指印原貌。图6为圆偏振照明方法，光圈值为7，曝光时间为1/4。图7为线偏振照明方法，光圈值为7，曝光时间为1/2。

图5 菜刀上的汗潜指印原貌

图6 圆偏振拍照效果

图7 线偏振拍照效果

4 结论

经过理论研究分析和实验结果，本文得出结论：圆偏振光摄影利用的是光的性质，因此金属客体表面光滑、平整是进行定向反射照相的前提，光滑平面的光泽度越高，拍摄效果越好。应用圆偏振摄影照相法拍摄金属客体表面的汗潜指印的优点主要体现在两个方面：一是可以极大地增加指印纹线与背景表面之间的亮度反差；二是可以消除或减弱背景图案的干扰。这两个优点使得圆偏振摄影照相可以显示出一些普通光线下完全看不见的指印或使一些在普通光线下很微弱的指印得到加强显示。

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