光學百科之人眼也能看偏振 002

Image Credit: Michael Bok, University of Lund

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人眼是一個非常複雜的系統，但最開始它並不是如今天這般。

【1] 脊椎動物,眼睛進化史

最早的「眼睛」只是一些包含感光蛋白質的細胞，只能感受到光強，感受不到波長，也就是說沒有分辨彩色的能力。那時的「眼睛」可以說只是一個檢測光強的單像素灰度CCD。這些感光蛋白質現在仍存在於一些單細胞光合生物里，供它們移動到更光明的地方進行光合作用。

後來，我們的眼睛越來越複雜，有了複雜的視網膜可以感應多個波長、有了晶狀體(lens)可以改變焦距、有了虹膜(iris)可以改變瞳孔大小。但是我們的眼睛還是沒有一些功能，比如說更廣的波長，更開闊的視野、觀察快速移動物體的能力、感受光的偏振態等。

這篇文章我們就只聊聊偏振態。

其實自然條件下，也是可以產生偏振態的。

比如，太陽光本身是無偏振狀態的，但是因為大氣中氣態分子和懸浮粒子光散射的原因，所以穿過大氣的太陽光的偏振角度（是部分偏振光）和太陽的方向是成一定相關性的（一般是垂直關係）。這個機理也被用到了輔助導航、增強遙感、大氣分析等國防、民用用途上。部分昆蟲就是利用這個原理來輔助定位的。

【2】

上圖（a）示意了大氣偏振和太陽位置的關係。（b）是一個蝗蟲複眼背緣區的小眼，這部分「眼睛」是昆蟲用來觀測偏振狀態的主要部分。偏振態的感應和感光細胞中微絨毛的排布方向相關，感光絨毛對偏振態平行於其方向的光吸收最高，即感光效果最好，信號強度最高。以蝗蟲為例，它的每一個感光單元包含了8個感光細胞（上圖最右邊），其中細胞3、4中的絨毛並沒有方向性，而1、2、5、6、8這幾個和7的絨毛不光有方向性，而且是相互垂直的。相當於8個感光細胞分別可以檢測，全光場、x線偏和y線偏的光場強度，因此，這樣一個T字形的感光細胞組合就能檢測出整個光場的偏振狀態。

（c）和（d）是一個實驗，改變照射蝗蟲光線的偏振態，當DRA區域的複眼沒被遮擋的時候，蝗蟲翅膀產生的扭矩為（c）,覆蓋的時候為（d）。從（c）我們可以看到，不同的偏振態，蝗蟲的飛行呈現方向性。而當複眼被覆蓋的時候（d），無論怎麼改變偏振態，蝗蟲翅膀都沒想動（扭矩基本為0）。

再舉另一個例子，皮皮蝦，它是一個bug的存在，不僅僅看的光譜比人類寬很多，而且可以「看到」光的不同偏振態，包括圓偏。

【3】

其中，如上圖（b），皮皮蝦眼睛的背半球部分（DH，dorsal hemisphere）和腹側半球部分（VH，ventral hemisphere）的小眼是用來感應線性偏振光的；中帶（mid-band）部分1-4行的小眼是用來感應各波長光的，5-6行的小眼則是用來感應圓偏的。每一個小眼都包含完整的角膜、晶椎、色素細胞、視網膜細胞、視桿等結構。因為細胞分化，在不同區域小眼中的視網膜細胞的功能有了變化。

【3】

上圖（a）最左側豎向排列了8個視網膜細胞（retinular cells）並分別編號了，其中可以分為三個類型，R8單獨為一個類型，R1、R4、R5組成了group I，R2、R3、R6、R7組成了group II。圖（a）上的箭頭代表了不同位置(DH、VH、Row5、Row6)的不同視網膜細胞(R8、Group1、Group2）感光絨毛的方向。不同的視網膜細胞就像是不同光軸角度的偏振片+CCD陣列的組合，構成了皮皮蝦感應偏振的最基本單元。其中a、d、h、v分別代表的是反對角線，對角線，水平和垂直方向（anti-diagonal, diagonal, horizontal and vertical linear polarised ligh），r和l代表的是對應圓偏振的右旋和左旋。上圖(b)(c)(d)則是單個細胞，感光絨毛方向性的示意圖。

舉了蝗蟲和皮皮蝦的例子，那麼我們來聊聊人眼。

【4】

上圖所示，是哺乳類動物的眼部構造，近幾年的研究更新了人們的認識，現在普遍認為我們有三種感光細胞：視桿細胞(rod)、 視錐細胞（cone）、 視網膜特化感光神經節細胞（ipRGC, photosensitive retinal ganglion cells）。其中視網膜特化感光神經節細胞是神經節細胞中的一種，長久以來人們都以為我們的感光細胞只有桿狀細胞和錐狀細胞，直到2002年，人們才證實了ipRGC也是一種感光細胞【5】。這三個細胞大致分工為：視桿細胞對弱光敏感，主要負責夜視，對顏色的辨別能力低，所以我們看暗的東西都沒什麼顏色；視錐細胞對強光敏感，主要用來辨別顏色；視網膜特化感光神經節細胞則主要用來控制生物鐘、以及我們瞳孔的改變。

那麼我們人眼能看到偏振態么？ 答案是能，但是非常細微，細微到我們都不會發現。一個典型的現象被稱作海丁格光刷（Haidingers Brush）。

當你背對著太陽，面朝著藍天的時候，如果你足夠幸運，並掌握一些技巧，你就可以看到一個淡淡的黃色蝴蝶結狀的或水平狀的條形物，那就是海丁格光刷。光刷的黃色部分是和光的偏振態呈一個垂直關係。另一個觀測的途徑是在一個全白的LCD顯示器上，因為LCD顯示器的偏振態是對角線，所以光刷的黃色蝴蝶結也是沿對角線方向。

【6】

這個現象的解釋學術界還不是很確定，可能是和偏振光在人眼黃斑中的藍色視錐細胞的選擇吸收有關（如上圖）。但是有一點可以肯定的是，這個現象和黃斑有關，因為我們看到的光刷是和人眼黃斑對偏振光的選擇性吸收有關，所以我們看到光刷的位置其實就是人眼黃斑的位置，之所以呈現黃色，是因為黃色是藍色的補色。

這個現象是如此的細微，以至於如果你看得見這個現象，它就和下圖圓圈中那片黃藍相間的啞鈴狀東西類似。

【7】

海丁格光刷雖然現象非常細微，絕大部分人除非刻意尋找幾乎感覺不到它的存在，但是它有一個非常大的用處就是訓練人使用黃斑看東西，從而來矯正視力。因為黃斑是在人類視覺的中心區，而我們看到的海丁格光刷其實就是黃斑的表徵，這也是為什麼海丁格光刷只會出現在我們視野的正中心。通過儀器輔助訓練，可以把弱視、偏心固視患者的視野中心矯正到黃斑的地方，也就是視野中心。當使用儀器時，使用者（單眼）可以通過控制自己的眼球轉動，從而把海丁格光刷移動到指定位置。比如說把自己的海丁格光刷移動到下圖中飛機的螺旋槳處。

雖然人類看到光偏振態的能力遠遠比不上那些昆蟲和動物，連產生的機理都有很大的出入，更像是自然的一個偶然「瑕疵」。但是就是這個「瑕疵」卻給一些人帶來了視力康復的可能。

【1】Evolution of the eye【2】Central neural coding of sky polarization in insects【3】The secret world of shrimps: polarisation vision at its best

【4】Photoreceptor cell 【5】 "Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock".

【6】「The polarization sense in human vision」

【7】Haidingers brush

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