偏振真的能導(dǎo)航 

螞蟻、蟋蟀、甲蟲和蜘蛛等很多昆蟲和節(jié)肢動(dòng)物，都可以通過眼睛上的特殊視錐細(xì)胞看到天空中的偏振光，從而判斷方向。蜜蜂能夠飛出蜂巢十幾公里也能夠正確返回，靠的就是相對(duì)于太陽(yáng)位置的偏振光來(lái)導(dǎo)航。 

同樣能夠靠偏振光導(dǎo)航的還有脊椎動(dòng)物。候鳥可以在日出日落的時(shí)候，通過偏振光來(lái)校準(zhǔn)它們的“羅盤”，綜合其他器官的綜合信息，才能夠跨越上千公里而不致迷路。 

蝙蝠會(huì)在日落時(shí)利用偏振光校準(zhǔn)它們的導(dǎo)航系統(tǒng)你聽說(shuō)過嗎？德國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)就決定一探究竟。他們將蝙蝠放置在兩個(gè)箱子中，一個(gè)箱子內(nèi)有90°偏振度的光源，一個(gè)箱子完全靠太陽(yáng)光照射。當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)箱子驅(qū)車運(yùn)至25公里外放飛蝙蝠，通過追蹤儀器的記錄發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)光組的蝙蝠都能夠正確的找到家，而偏振組的蝙蝠則按照90°的方向飛去，未能找到原來(lái)的地方。經(jīng)過進(jìn)一步的研究證實(shí)，蝙蝠的視錐細(xì)胞上覆有不同厚度的膜，以此來(lái)達(dá)到偏振片的效果，配合其他導(dǎo)航器官的綜合信息，就能夠順利導(dǎo)航。 

▲是不是以前覺得蝙蝠的視力弱爆了？事實(shí)上它可能比你的眼睛厲害多了。 

偏振光對(duì)于海洋生物來(lái)說(shuō)，同樣可以起到導(dǎo)航作用。美國(guó)耶魯大學(xué)生物系教授Talbot Waterman在1954年的論文中就指出，水可以充當(dāng)偏振片一樣的作用，甚至在水下200米處，也能夠有來(lái)自水面的偏振光。于是本文的研究團(tuán)隊(duì)，一個(gè)集世界上各名校研究人員的明星團(tuán)隊(duì)，決定通過相機(jī)+偏振片的形式來(lái)驗(yàn)證：是否海洋生物能夠像陸地生物一樣，可以通過偏振光來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航。 

水下發(fā)生了什么？ 

從天空到海底的過程中，發(fā)生了兩種光學(xué)現(xiàn)象：散射和折射。來(lái)自太陽(yáng)和天空的光（天空本身就是陽(yáng)光散射的產(chǎn)物），通過水面折射入水中。由于水表面的偏振作用，天空被壓縮為一個(gè)球形的圖像，這種現(xiàn)象被稱作“Snell窗口”。 

▲Snell現(xiàn)象在水下攝影中非常常見，本來(lái)非常廣闊的天空，在入水后就成了一個(gè)球形。 

這些入射的陽(yáng)光被水面偏振后，夾雜著水下四面八方的內(nèi)部反射光，以及來(lái)自海底的反射光，共同組成了水下的偏振系統(tǒng)。 

▲通過水下偏振相機(jī)的拍攝，可以清晰的記錄下太陽(yáng)高度在10°、45°以及80°時(shí)，水下光的偏振度。太陽(yáng)光越垂直于水面，水下偏振光的角度就越平行于水面；相反太陽(yáng)高度越低，水下偏振光的角度就越垂直于水面。所以擁有偏振視力的海洋生物完全可以通過這樣的圖片來(lái)判斷太陽(yáng)的方位，以及判斷方向。 

除了太陽(yáng)的高度位置，包括大氣條件、水質(zhì)和深度在內(nèi)的許多因素，都是影響水下光強(qiáng)和偏振角度的因素之一。可能這也是為什么海洋生物普遍具有高靈敏視力的原因之一。 

研究團(tuán)隊(duì)使用一款來(lái)自IMPERX公司的Bobcat 2MP分辨率GigE接口相機(jī)，配合偏振濾光片，組成了一套仿螳螂蝦的視覺系統(tǒng)。還記得大明湖畔的螳螂蝦嗎？這類甲殼綱口足目的動(dòng)物們有著逆天的16種光感受器——而人類只有4種。大家喜聞樂見的皮皮蝦、瀨尿蝦，又叫蝦蛄（Squillidae），就是它們中的一員。 

▲螳螂蝦的眼睛上有一條水平的帶狀區(qū)域，這個(gè)區(qū)域橫掃過它們的視野，不僅是線性偏振光，在這個(gè)小區(qū)域內(nèi)甚至還集合了紅外線和紫外線的感受器，堪稱逆天典范。 

研究團(tuán)隊(duì)通過芬蘭、澳大利亞、加勒比海以及夏威夷等不同緯度海域采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過綜合計(jì)算后，將導(dǎo)航數(shù)據(jù)應(yīng)用在科研艇上，航行結(jié)果和GPS導(dǎo)航進(jìn)行比對(duì)，平均航向誤差僅為0.38°，1公里內(nèi)誤差僅為6.6m，這種誤差水平基本已經(jīng)和沙漠中螞蟻的偏振導(dǎo)航能力差不多了。他們還在系統(tǒng)上加入了一套魚眼透鏡，以此來(lái)采集360°視野，這樣不論太陽(yáng)高度如何，都能夠準(zhǔn)確觀測(cè)到水中的偏振角度。 

通過這樣一套視覺系統(tǒng)，放在全球不同水域中的水下進(jìn)行拍攝，配合三軸磁力計(jì)和三軸加速計(jì)，以及一個(gè)電子羅盤，研究團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論：水下極化線性偏振圖像，完全可以作為海洋中具有偏振敏感視覺的動(dòng)物的太陽(yáng)能羅盤，甚至可以用于全球定位。 

這套水下視覺系統(tǒng)除了相機(jī)和偏振片外，還擁有一個(gè)運(yùn)行CentOS Linux的ADL Embedded Solutions QM67PC單板計(jì)算機(jī)，可通過HDMI接口將實(shí)時(shí)偏振視頻進(jìn)行顯示，還能夠讓潛水員實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。 

▲系統(tǒng)中核心相機(jī)就是來(lái)自IMPERX公司的Bobcat 2MP分辨率GigE接口相機(jī)。該相機(jī)擁有的魯棒性，可在-40℃~+80℃的寬溫范圍內(nèi)正常工作，平均無(wú)故障時(shí)間超過66萬(wàn)小時(shí)，非常適合各種極端環(huán)境下的應(yīng)用。