晉江市公安局刑事科學(xué)技術(shù)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(dòng)方向隨著時(shí)間有規(guī)律地變化，振動(dòng)平面繞光速方向旋轉(zhuǎn)。電矢量E的端點(diǎn)的軌跡呈圓形的偏振光稱(chēng)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(chǎn)生與1/4波長(zhǎng)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(dòng)面（振動(dòng)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(nèi)入射光被分解成振動(dòng)方向互為垂直的兩束平面偏振光，稱(chēng)為o光和e光。它們的傳播方向一致，但在晶體內(nèi)因傳播速度不同而產(chǎn)生一定的相位差，當(dāng)它們經(jīng)過(guò)厚度為d的波片時(shí)，光程差為（n0-ne）d，即相應(yīng)的相位差為∶

式中，λ為入射光波長(zhǎng)，n0和ne分別為波片對(duì)o光和e光的折射率。顯然，通過(guò)波片后的偏振光，將是沿同一方向傳播的兩個(gè)平面偏振光疊加的結(jié)果。由于o光和e光的振幅不等，有一定相位差，且振動(dòng)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(duì)于同種波片，決定橢圓形狀的因素是入射光的振動(dòng)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(zhǎng)的整數(shù)倍，稱(chēng)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(chēng)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(dòng)面相對(duì)于入射光轉(zhuǎn)過(guò)2α角。

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

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

圖2 圓偏振光形成機(jī)理

1.3 圓偏振攝影的定義

圓偏振光照明方法顯現(xiàn)和加強(qiáng)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(qiáng)，定向反射照明的顯現(xiàn)效果就越好。

圓偏振光照明方法是將線偏振鏡與1/4波長(zhǎng)的波片組合構(gòu)成圓偏振鏡（CPL），加載在相機(jī)鏡頭前，入射光為線偏振光時(shí)，當(dāng)偏振光的電矢量振動(dòng)方向和晶片的光軸成的角度為π/4時(shí)，出射光為圓偏振光。其實(shí)驗(yàn)配光圖見(jiàn)圖3。

圖3 圓偏振光攝影實(shí)驗(yàn)配光

圖4

1.4 圓偏振攝影的作用特點(diǎn)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(lái)就很少，所以拍攝者只需要用偏振鏡把 s 部分過(guò)濾掉就可以得到一張滿(mǎn)意的照片。至于金屬，無(wú)論是過(guò)濾 s 部分還是 p 部分，另一部分的光還是會(huì)被反射到鏡頭里，所以偏振鏡怎么轉(zhuǎn)，金屬的反光都不會(huì)被過(guò)濾掉。

因此利用金屬表面的反射光有不會(huì)被濾掉的特性，當(dāng)入射光線為偏振光照射在金屬客體上時(shí)，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(duì)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(fā)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(jìn)過(guò) 1/4波長(zhǎng)的波片之后呈飽和通過(guò)，當(dāng)鏡頭上的偏振鏡改變其偏振化方向時(shí)，指紋紋線上處于各種偏振態(tài)的反射光亮度隨之發(fā)生變化，金屬客體的反光亮度幾乎沒(méi)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(xiàn)和加強(qiáng)各種常見(jiàn)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(zhì)的反射性質(zhì)雖然各有不同，但它們都呈現(xiàn)非定向反射性質(zhì)，它們?cè)诜瓷湔彰鞯慕邮沼涗浄较蛏系姆瓷涔饩€將遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于光滑表面在這個(gè)方向上的反射光線，使紋線與背景之間出現(xiàn)很大的亮度反差。指印紋線物質(zhì)數(shù)量越多，對(duì)光線的散射能力越強(qiáng)，指印紋線的反射分量相對(duì)越小，經(jīng)過(guò)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(huán)境光線干擾

被檢物體在照明檢驗(yàn)中受到其他光線照射干擾，例如環(huán)境光線，圓偏振照明檢驗(yàn)的效果將會(huì)受到影響甚至完全沒(méi)有效果。環(huán)境干擾光線照射在檢材上會(huì)增加指印紋線反射光和物體內(nèi)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(xiàn)在觀察拍照方向上，導(dǎo)致指印紋線反射光和內(nèi)反射光分量相對(duì)增加。因此環(huán)境干擾光線會(huì)減弱指印紋線與背景之間的亮度反差，同時(shí)增加背景圖案的顯示。實(shí)踐表明，環(huán)境干擾光線對(duì)照明檢驗(yàn)效果的影響十分明顯，在進(jìn)行照明檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量在全黑的場(chǎng)景中進(jìn)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(duì)于點(diǎn)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(yōu)點(diǎn)，均勻的淺色調(diào)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(shí)為了顯示微弱痕跡可以配合使用多波段光源進(jìn)行打光，在加強(qiáng)主客體之間反差的同時(shí)很好地反映痕跡的細(xì)節(jié)特征。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 圓偏振攝影方法基本操作步驟

3.1.1 將照相機(jī)固定在翻拍架上或三腳架上；

3.1.2 對(duì)檢材上的指印區(qū)域取景并調(diào)節(jié)焦點(diǎn)至清晰位置；

3.1.3 將圓偏振鏡旋轉(zhuǎn)連接在照相機(jī)鏡頭前面；

3.1.4 用面光源對(duì)準(zhǔn)被攝物體；

3.1.5 確定光源位置：微調(diào)光源位置，同時(shí)從照相機(jī)取景器內(nèi)觀察被檢驗(yàn)區(qū)域表面的反射光情況，當(dāng)看到區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)反射光形成的反射光斑時(shí)，將光源位置固定下來(lái)；

3.1.6 曝光拍照：按測(cè)光表測(cè)量值增加1～2檔曝光量進(jìn)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(jī)固定在翻拍架或三腳架上；

3.2.2 對(duì)檢材上的指印區(qū)域取景和調(diào)焦，讓照相機(jī)鏡頭軸線與被檢驗(yàn)區(qū)域表面的法線成一個(gè)固定的夾角；

3.2.3 被檢驗(yàn)區(qū)域表面的法線為中心，在與相機(jī)對(duì)應(yīng)的另一側(cè)相同角度的方向上用面光源照射指印區(qū)域；

3.2.4 微調(diào)光源位置：同時(shí)從相機(jī)取景器內(nèi)觀察被攝區(qū)域表面的反射光情況，當(dāng)看到區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)表面反射光形成的反射光斑時(shí)，將光源位置固定下來(lái)；

3.2.5 曝光拍照：按測(cè)光表測(cè)量值增加1～2檔曝光量進(jìn)行曝光。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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?jié)撝赣≡?。圖6為圓偏振照明方法，光圈值為7，曝光時(shí)間為1/4。圖7為線偏振照明方法，光圈值為7，曝光時(shí)間為1/2。

圖5 菜刀上的汗?jié)撝赣≡?/p>

圖6 圓偏振拍照效果

圖7 線偏振拍照效果

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)理論研究分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文得出結(jié)論：圓偏振光攝影利用的是光的性質(zhì)，因此金屬客體表面光滑、平整是進(jìn)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(yīng)用圓偏振攝影照相法拍攝金屬客體表面的汗?jié)撝赣〉膬?yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(jiàn)的指印或使一些在普通光線下很微弱的指印得到加強(qiáng)顯示。

[1]程干基,王明榕.透明介質(zhì)表面反射光和折射光的偏振態(tài)[J].安徽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,1988（2）.

[2]向衛(wèi)東.圓偏振鏡機(jī)理與攝影性能（上）[J].現(xiàn)代電影技術(shù), 2008（2）∶ 21-26.

[3]潘國(guó)光.刑事攝影[M].北京∶中國(guó)人民公安大學(xué)出版社,1993.

[4]新華.如何選擇指印拍攝方法[J].中國(guó)人民公安大學(xué)學(xué)報(bào)∶自然科學(xué)版，2003（5）∶ 24-27.

[5]杜西京.現(xiàn)場(chǎng)手印的尋找、發(fā)現(xiàn)、顯現(xiàn)和提取[M].北京∶ 中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，1990.