偏振镜光学原理和在机器视觉中的应用

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       有很多机器视觉检测对象物体的表面会发出杂乱的眩光（如抛光金属表面、烟盒、晶片等），这会严重影响成像质量，降低机

器视觉检测特征的对比度。为了减弱或者消除杂散光、眩光等干扰，在很多视觉检测、测量、定位等系统构建时，我们在镜头前面

需要搭配偏振镜来使用。我们简单的看两幅效果图，以下图片是在同样的时间，同样的相机参数情况下拍摄的。不同点就在

于一个没有使用偏振镜，下面的图片拍摄时采用了高质量德国schneider的偏振镜片。效果之区别一目了然。

下面，我们就简单的介绍一下偏振镜的光学原理和应用。

    光是一定波段范围的电磁波，是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的。我们的眼睛能够看到的

只是电磁波中的一个很小的波长范围，即380纳米到780纳米左右，这个范围的电磁波称为可见光。电磁波的振动方

向与传播方向是垂直的，我们称之为横波。横波就必然有一个偏振的问题。由于和光学发展历史有关的原因，人们

常把磁矢量的方向叫做偏振方向，并把磁矢量的传播方向所决定的平面叫做偏振面。

自然光：虽然光从本质上来说是偏振的，但是自然界的大多数情况下，光表现出非偏振的。这是因为我们所看到的自然光（如太阳光，灯光）是由许多光波串组成的。这些光波串中每一串都是偏振的，但是它们的偏振方向是随机的，不断变化着的。在我们的观察时间段里平均后，在任何一个方向上都没有优势。这就是自然光，也叫非偏振光。

线偏振光：让自然光通过一个起偏振器件后，只有一个方向的偏振光能够通过这个器件，我们就得到了线偏振光。线偏振光的振动方向是确定的。

部分偏振光：如果线偏振光中混有一部分自然光，也就是说，这种光包含着各种方向的偏振光，而在某一方向的上体现出偏振的优势。这就是部分偏振光。

圆偏振光：这种光的偏振方向是有规律的旋转着的。而光矢量在旋转过程中的强度是保持一定的。也就是光矢量是沿着一个圆旋转的。这就是园偏振光。在我们的观察时间段中平均后，圆偏振光看上去是与自然光一样的。但是圆偏振光的偏振方向是按一定规律变化的，而自然光的偏振方向变化是随机的，没有规律的。

椭园偏振光：这种光的偏振方向也是在规律的旋转着的，但是它的光矢量在旋转过程中强度也在变化。也就是光矢量是沿着一个椭园旋转的。椭园偏振光在观察时间段里平均后的结果与部分偏振光相似。但是与部分偏振光不同，它的偏振方向以及光矢量的大小是按一定规律变化的。

用偏振滤镜可以消除水面、玻璃面和其他非金属表面反射光，这是因为在这些介面上反射光的偏振状态发生了变化。

  我们大家都知道，光在不同折射率的介质的界面上会发生反射和折射。入射角与反射角、折射角的关系分别服从

反射定律和折射定律。在非金属的界面上，当入射光线与折射光线成直角时，反射光线将是线偏振光，这就是有名

的布儒斯特原理。此时的入射角就称为布儒斯特角。从下图可以看出，当光线从空气（介质1，严格地说应该是真空）

射入介质2时，布儒斯特角的正切值等于介质2的折射率n。由于介质的折射率是与光波长有关的，对同样的介质，布

儒斯特角的大小也是与光波长有关的。以光学玻璃折射率1.4-1.9计算，布儒斯特角大约为54-62度左右。当入射角

偏离布儒斯特角时，反射光将是部分偏振光。

园偏振镜是由一块线偏振镜和一块四分之一波片组成的。四分之一波片是用一种各向异性介质做成的。光在这种介质中

传播时，可以分解为两种光矢量相互垂直的线偏振光，一种称为寻常光线（Ordinary light，O光），另一种称为非常

光线（Extra-ordinary light，E光）。这两种光在介质中的传播速度是不同的。当一束线偏振光以适当的方向（即偏

振方向与O光、E光方向均成45度）射入这种介质中时，就能分解成强度相等的O光和E光在介质中传播（如下图，红色矢

量表示入射偏振光方向，振动着的红点分别表示O光和E光方向）。

由于O光与E光在各向异性介质中的传播速度不同，入射时线偏振光分解成的O光与E光是同相位的。经过一段距离的传

播后，O光与E光之间就会产生一定的相位差。

但是，如果O光与E光之间的位相差不是90度，则合成的光就会是不同椭园度的椭园偏振光（或者线偏振光）。下图

列出了几种不同位相差时的情况。

我们知道，圆周角是360度，相当于一个波长。上述的90度位相差也就相当于四分之一的波长。如果各向异性介质的厚

度正好能在O光与E光之间引起90度的位相差，就能把一定偏振方向的线偏振光“变成”园偏振光。因此我们称其为四分

之一波片。如果这种介质的厚度引起了180度的位相差，就会使入射的线偏振光“转过”了90度（下图）。我们称其为

半波片。前面说过，园偏振滤镜就是由线偏振镜加上一块四分之一波片组成的，而且，线偏振镜的偏振方向与四分之一

波片的O光（或E光）成45度的。

在风光摄影中，偏振镜确实有不可替代的用途。绝大部分滤镜的效果我们都可以通过电脑后期处理来模拟，唯独只有偏振镜的效果是无法模拟的，只能一次拍成。这说法本身并没有大错，但是这一句“必备滤镜”却让不少摄影初学者误会了：以为“必备”的意思，就是“永远都需要用”，于是就老老实实的永远把偏振镜拧在了镜头前方，再也不摘下来了。

偏振镜的作用

    最简单地解释：可以滤除反光。自然光从光源发射出来，被物体的表面反射以后，光的属性就被偷偷改变了，我们将这种光叫做偏振光。人的眼睛无法辨识偏振光和自然光的不同，所以我们不能直观的“看到”这个变化。但偏振镜就像是一个过滤器，它允许自然光通过，却可以拦截一些偏振光，这样就可以人为的去除“反光”的影响。

    这是非常要紧的事！在拍摄九寨沟的水时，可以去掉讨厌的水面反光，拍到色彩斑斓的水底植物；在拍摄橱窗时，可以消除玻璃上反射的霓虹灯光，拍到橱窗里漂亮的展品。特别是在拍摄蓝天白云时，可以过滤一部分天空反光，加深天空蓝色，白云便更加突显。

偏振镜的使用方法

    偏振镜通常由两个铁环组成，一个铁环可以安装在镜头的前方，拧紧后就不再运动，另一个则承载着一片玻璃，在铁环拧紧之后，它仍然可以自由旋转。在使用偏振镜的时候，我们需要在取景器里观察需要消除的反光，左右掐住偏振镜的前环慢慢旋转——很快会找到最佳的旋转角度让反光消失。不过，偏振镜一次只能滤除一个方向的偏振光，可能同一个画面中滤掉玻璃反光时，水面上的反光就滤不掉；滤掉了水面的反光，玻璃的反光又明显起来。

偏振镜使用的误区

    偏振镜最擅长过滤的是入射角和反射角的夹角为90度的反光，越是接近180度的反光它就越是无能为力。比如头顶正上方的太阳光射在水面上，偏振镜是无法起作用的。另外，金属表面的反光并不是偏振光，偏振镜对这样的反光也无能为力。镜子是在玻璃上镀上薄薄的水银、银或铝做成的，所以也不是偏振光。想象一下，如果面对一面镜子拿起相机，一旋转偏振镜，自己就从镜子里消失了，这是多么恐怖的事！

    特别需要指出的是，偏振镜会导致2-3倍的光线损失，这样一来，相机便因为得不到足够的光线而无法使用高速快门，在光线稍不充足的情况下，甚至容易因为相机抖动而拍出模糊的照片来。有不少懒人还将UV镜与偏振镜叠加在一起使用，由于两个滤镜叠加的镜框太厚，挡住了镜头取景，还在画面的四个角上形成了严重的暗角。

为了达到尽量完美的成像效果，光学设计师费了很大的功夫才终于减少了镜头里用到的玻璃片。这个改进的过程有时很漫长，比如花了十年，才终于把一枚原本由6片镜片组成的镜头减少到5片镜片。虽然今天已经有了多层镀膜技术来大大改善透光率，但100%透明的物体是不存在的，成像品质的损失仍然会存在。由于技术和成本的原因，廉价的镜头所造成的成像品质损失会更大。

    因此，偏振镜是个好东西，但绝不是可以一直安在镜头上的，我们只有在必要时才会请它出马。 

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