机器视觉中的偏振光

光的电磁波属性

　　光是一种电磁波，这个概念大家应该不陌生。既然是电磁波，那我们从电磁波的特性上来看它有哪些属性。用图1中的交变电磁场来描述光的特性，电场和磁场在空间中相互垂直，它们同时与光的传播方向垂直，属于横波，由于磁场和电场处于空间垂直状态，因此习惯只标识出电场。图1中表现了电场的3个属性，分别是振幅、波长和方向。振幅表征了光信号的强度信息，振幅越大，则光强更强。波长表征了光的颜色属性，波长450nm附近的光是蓝色光，波长在550nm附近的光是绿色光，波长在650nm附近的光是红色光。那么电场的方向表征了什么呢？很遗憾，电场方向表征的特征信息人的裸眼无法感受到其存在。

图1 光的电磁波属性

非偏光与偏振光

　　自然光源基本都是非偏光，也就是说在与传播方向垂直的平面上各个方向都有电磁波存在，并且各个方向的幅度都是均匀分布。反之，不满足这一条件的称为偏振光。下面先来具体看看如何获取偏振光，图2的例子中，灯泡发出的光对应电磁波各向均匀，是典型的非偏光，光线在经过一个偏振片后，仅仅保留了一个方向的电磁波，而且方向是固定的，这就是典型的线性偏振光。从理论上来说，就是二维平面的矢量投影到一维上，最终输出的线性偏振光的强度为非偏光的1/2.

图2 非偏光与线偏光

起偏与检偏

　　人的裸眼无法直接感受到电磁波的方向，但通过一个偏振的实验，人眼可见间接的感受到光的空间电磁波特性。图3中的自然光（非偏光）经过一个起偏器（偏振片）后，透过的光为线偏光，在光路上增加一个检偏器（偏振片），通过检偏器的光线依然是线偏光。人眼观察透过检偏器的光线，可以发现，旋转检偏器，透过检偏器的光线强度也会发生变化。如果记线偏光的振动方向与检偏器的偏振化方向的夹角为α，那么检偏器输出的信号强度I=I0*cos2α（马吕斯定律）。图4给出这一个实验的动态示意图。

图3 起偏与检偏

图4 起偏与检偏实验

偏振光的类型

　　从电磁场的方向和幅度信息表征来看，除线性偏振光外，还有椭圆偏振光，圆形偏振光以及部分偏振光。

图5 不同类型的偏振光

线性偏振光

　　在空间中，电场的方向维持在一个固定方向。

椭圆偏振光

　　在空间中，电场的方向随着传播路径是变化旋转的，并且幅度也在变化。根据旋转方向的不同，可以分为左旋椭圆偏振光和右旋椭圆偏振光。

圆形偏振光

　　在空间中，电场的方向随着传播路径是变化和旋转的，但幅度保持不变。根据旋转方向的不同，可以分为左旋圆偏光和右旋圆偏光。

部分偏振光

　　线性偏振光、椭圆偏振光或者圆形偏振光与非偏光的混合，称为部分偏振光。

自然界中一种常见的偏振光获取方式

　　除了前面提到的采用偏振片的方式得到偏振光，自然界中广泛存在着由反射形成的偏振光。如图6，入射光线在两种不同的介质表面发生了反射和折射，假定入射光是非偏光，一般来说，经过反射的光线是部分偏振光，当入射角度为一个特定的角度时，反射光为完全线偏光，这个时候的入射角度称为布鲁斯特角，该角度的值与两种介质的折射率n1和n2相关。ib=tan-1(n2/n1)。

图6 反射形成偏振光

生活中的偏振光

　　大家在拍照时经常会遇到的一种情形，对着水面拍照，岸边或者天空的倒影非常明显，如果拍摄对象是水中的物体，那么这些倒影就是干扰。摄影老手会在镜头前增加一个偏振滤镜，拍出来的照片就完全不一样了，图7中的两张图片为安装偏振滤镜前后的对比图。这就是自然界中的非偏光经过了水面反射后，反射光线中存在大量偏振光的很好例子。反射的偏振光信息被安装的镜头前的偏振滤镜吸收，消除了干扰，因此相机可以拍摄到水面下的物体。

图 7 安装偏振滤镜前后对比

　　LCD屏幕也是偏振应用的一个很好例子，LCD中前后共有两个偏振片，假设没有中间的液晶层和Color filter层，如果设置前后两个偏振片的偏振方向互相垂直，那么背光源的光经过第一个偏振片后输出某一个方向的线偏光，这个线偏光在经过第二个偏振片的时候，被完全吸收，最终人眼看到的是黑色。增加了液晶层后，通过对液晶的控制，可以改变偏振光的方向，根据马吕斯定律，通过检偏器的光线强度满足I=I0*cos2α，输出的光信号强度变为可控制。也就是说，通过外部电气的方式，控制液晶分子，从而控制检偏器偏振化方向和偏振光振动方向夹角α，最终控制对应的输出亮度，再加上Color Filter，就可以同时控制液晶显示器亮度和颜色。

图8 液晶工作原理简图

Imalg观点

　　虽然人的裸眼无法感受到光的电磁波方向信息，但我们可以借助其它方式，间接去获取该信息，并加以应用。下一篇中会介绍基于SONY偏振图像传感器的相机。

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