圓偏振在物證攝影中的應用

晉江市公安局刑事科學技術室 鄧武平 趙宇飛

1 圓偏振攝影原理

1.1 圓偏振光的定義

圓偏振光的電矢量E，它們的振動方向隨著時間有規律地變化，振動平面繞光速方向旋轉。電矢量E的端點的軌跡呈圓形的偏振光稱為圓偏振光,如圖1所示。

圖1 圓偏振光矢量圖

1.2 圓偏振光的產生與1/4波長波片的作用以及二者之間的影響

波片是從單軸雙折射晶體上平行于光軸方向截下的薄片。若平面偏振光垂直入射波片，且其振動面（振動方向與傳播方向所確定的平面）與波片的光軸成α角，則在波片內入射光被分解成振動方向互為垂直的兩束平面偏振光，稱為o光和e光。它們的傳播方向一致，但在晶體內因傳播速度不同而產生一定的相位差，當它們經過厚度為d的波片時，光程差為（n0-ne）d，即相應的相位差為∶

式中，λ為入射光波長，n0和ne分別為波片對o光和e光的折射率。顯然，通過波片后的偏振光，將是沿同一方向傳播的兩個平面偏振光疊加的結果。由于o光和e光的振幅不等，有一定相位差，且振動方向互相垂直，一般合成為橢圓偏振光。橢圓的形狀隨o光和e光的相位差值的不同而改變。對于同種波片，決定橢圓形狀的因素是入射光的振動方向與波片光軸的夾角α以及波片的厚度。

若相位差△Ф=2kπ，k=1,2,3…，則

故波片的厚度為波長的整數倍，稱為全波片，從波片透射的光為平面偏振光。

若△Ф=（2k+1）π，k=1,2,3…，則波片稱為1/2波片（或λ/2片），其最小厚度為：

從波片透射出的光為平面偏振光，但振動面相對于入射光轉過2α角。

若△Ф=（2k+1）π/2,k=1,2,3…，則波片稱為1/4波片（或λ/4 片），其最小厚度為∶

這時一般從波片透射出的光為橢圓偏振光。但是，當α=0或α=π/2時，透射光為平面偏振光；當α=π/4時，透射光為圓偏振光，如圖2所示。

圖2 圓偏振光形成機理

1.3 圓偏振攝影的定義

圓偏振光照明方法顯現和加強指印的使用客體表面為光滑平面，客體表面光澤度越高，其表面定向反射能力越強，定向反射照明的顯現效果就越好。

圓偏振光照明方法是將線偏振鏡與1/4波長的波片組合構成圓偏振鏡（CPL），加載在相機鏡頭前，入射光為線偏振光時，當偏振光的電矢量振動方向和晶片的光軸成的角度為π/4時，出射光為圓偏振光。其實驗配光圖見圖3。

圖3 圓偏振光攝影實驗配光

圖4

1.4 圓偏振攝影的作用特點和原理

圖4 中，R 是光在物體表面的反射率，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。

從非金屬表面反射出的 p 部分本來就很少，所以拍攝者只需要用偏振鏡把 s 部分過濾掉就可以得到一張滿意的照片。至于金屬，無論是過濾 s 部分還是 p 部分，另一部分的光還是會被反射到鏡頭里，所以偏振鏡怎么轉，金屬的反光都不會被過濾掉。

因此利用金屬表面的反射光有不會被濾掉的特性，當入射光線為偏振光照射在金屬客體上時，由于潛在指紋微小顆粒組成的紋線呈一定程度上的漫反射特性，對入射光有一定的退偏作用，使照射在指紋紋線的反射光的偏振方式發生了徑向變化，變成了多重徑向的偏振光，而金屬客體表面的反射光仍然是單一徑向的偏振光，進過 1/4波長的波片之后呈飽和通過，當鏡頭上的偏振鏡改變其偏振化方向時，指紋紋線上處于各種偏振態的反射光亮度隨之發生變化，金屬客體的反光亮度幾乎沒有改變，因此形成了潛在指紋與金屬客體之間的亮度反差。

1.5 圓偏振攝影的適用范圍

圓偏振攝影方法適合于顯現和加強各種常見的承痕客體為光滑金屬客體表面上的指印，這些指印紋線物質的反射性質雖然各有不同，但它們都呈現非定向反射性質，它們在反射照明的接收記錄方向上的反射光線將遠遠弱于光滑表面在這個方向上的反射光線，使紋線與背景之間出現很大的亮度反差。指印紋線物質數量越多，對光線的散射能力越強，指印紋線的反射分量相對越小，經過偏振光反射照明的反差就越大。

2 影響圓偏振拍攝的因素

2.1 環境光線干擾

被檢物體在照明檢驗中受到其他光線照射干擾，例如環境光線，圓偏振照明檢驗的效果將會受到影響甚至完全沒有效果。環境干擾光線照射在檢材上會增加指印紋線反射光和物體內反射光在觀察拍照方向上的分量，而干擾光線形成的表面定向反射光線不出現在觀察拍照方向上，導致指印紋線反射光和內反射光分量相對增加。因此環境干擾光線會減弱指印紋線與背景之間的亮度反差，同時增加背景圖案的顯示。實踐表明，環境干擾光線對照明檢驗效果的影響十分明顯，在進行照明檢驗時應盡量在全黑的場景中進行拍攝。

2.2 選擇面光源

圓偏振光攝影方法需要使用面光源，否則難于形成足夠面積的光斑。相對于點光源和平行光束光源，使用面光源拍照效果最好。面光源具有光斑均勻的優點，均勻的淺色調背景可以使指印紋線與背景之間的反差得到較好的顯示，同時為了顯示微弱痕跡可以配合使用多波段光源進行打光，在加強主客體之間反差的同時很好地反映痕跡的細節特征。

3 實驗部分

3.1 圓偏振攝影方法基本操作步驟

3.1.1 將照相機固定在翻拍架上或三腳架上；

3.1.2 對檢材上的指印區域取景并調節焦點至清晰位置；

3.1.3 將圓偏振鏡旋轉連接在照相機鏡頭前面；

3.1.4 用面光源對準被攝物體；

3.1.5 確定光源位置：微調光源位置，同時從照相機取景器內觀察被檢驗區域表面的反射光情況，當看到區域內出現反射光形成的反射光斑時，將光源位置固定下來；

3.1.6 曝光拍照：按測光表測量值增加1～2檔曝光量進行曝光。

3.2 線偏振光攝影方法的基本操作步驟

3.2.1 將照相機固定在翻拍架或三腳架上；

3.2.2 對檢材上的指印區域取景和調焦，讓照相機鏡頭軸線與被檢驗區域表面的法線成一個固定的夾角；

3.2.3 被檢驗區域表面的法線為中心，在與相機對應的另一側相同角度的方向上用面光源照射指印區域；

3.2.4 微調光源位置：同時從相機取景器內觀察被攝區域表面的反射光情況，當看到區域內出現表面反射光形成的反射光斑時，將光源位置固定下來；

3.2.5 曝光拍照：按測光表測量值增加1～2檔曝光量進行曝光。

3.3 實驗結果及分析

菜刀上潛在汗液指印的拍照效果。圖5為菜刀上汗潛指印原貌。圖6為圓偏振照明方法，光圈值為7，曝光時間為1/4。圖7為線偏振照明方法，光圈值為7，曝光時間為1/2。

圖5 菜刀上的汗潛指印原貌

圖6 圓偏振拍照效果

圖7 線偏振拍照效果

4 結論

經過理論研究分析和實驗結果，本文得出結論：圓偏振光攝影利用的是光的性質，因此金屬客體表面光滑、平整是進行定向反射照相的前提，光滑平面的光澤度越高，拍攝效果越好。應用圓偏振攝影照相法拍攝金屬客體表面的汗潛指印的優點主要體現在兩個方面：一是可以極大地增加指印紋線與背景表面之間的亮度反差；二是可以消除或減弱背景圖案的干擾。這兩個優點使得圓偏振攝影照相可以顯示出一些普通光線下完全看不見的指印或使一些在普通光線下很微弱的指印得到加強顯示。

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