偏振光相机2——索尼大法

Stokes参量  

　　在上一篇“偏振光相机-偏振光”中，我们知道偏振光有线性偏振光、椭圆偏振光、圆偏光。那么如何定量的描述偏振光呢？Stokes矢量是一种广泛用来描述偏振光属性的方法。

图1 不同类型的偏振光

　　线性偏振光和圆形偏振光都可以当作椭圆偏振光的特殊形式，如图2所示，当椭圆的短轴b=0时，此时的椭圆偏振光为线偏光，当椭圆的短轴b=a时，此时的椭圆偏振光为圆偏光。

图2 椭圆偏振光几何描述

　　1852年，斯托克斯(Stokes)提出用四个参量来描述光波的强度和偏振态。它们分别是：S0 、S1 、S2 和S3 。S0表示总的入射光强，S1表示x分量和y分量的光强差，S2表示+45°和-45°偏振分量光强差，S3表示左旋和右旋圆偏振分量光强差。在计算中，一般对S0 、S1 、S2 和S3 进行归一化处理，S0的值在0和1之间，S1 、S2 和S3 的值在-1到+1之间。对于自然非偏光，Ix=Iy，I+45=I-45，Il=Ir。如果S1、S2或者S3不为0，则说明存在偏振光。

Ix------0°方向光强

Iy------90°方向光强

I+45------45°方向光强

I-45------135°（或者称之为-45°）方向光强

Il------左旋圆偏振光强

Ir------右旋圆偏振光强

S0=I0=Ix+Iy=I+45+I-45=Il+Ir

S1=Ix-Iy

S2=I+45-I-45

S3=Il-Ir

对于全偏振光：S02=S12+S22+S32

对于部分偏振光：0< S12+S22+S32<S02，部分偏振光，可以分解为偏振光加上自然光

 

偏振度DOP(Degree of Polarization)：用来表征部分偏振光中偏振光部分的比例:

  

偏振类型PTP(Polarization Type)用来描述偏振部分的形状：

 

偏振方向AOP(Angle of Polarization)，椭圆主轴与传统坐标系x轴的夹角θ：

 

传统偏振技术

　　传统的偏振相机，通过旋转偏振片的角度实现，这种实现方式需要外部机械结构的配合，整体相机一般偏大，适合用在科学研究领域。

图3 传统偏振相机

SONY偏振技术

　　SONY推出了独特的偏振图像传感器IMX250MZR/MYR和IMX253MZR/MYR。该系列偏振图像传感器采用了如图4所示的结构。与传统方式不同，偏振滤片不是在相机外部，而是在传感内部。在2x2的邻域内，分别有0°、45°、90°和135°共4个方向的filter。这款图像传感器能直接输出Ix、Iy、I+45和I-45的数据，Stokes参量中的S0、S1、和S2都能方便的计算。

A) 微透镜B) 防反射膜 C) 偏振滤片 D) Metal层 E)感光photodiode

                图4 SONY偏振传感器

DOP图像 &AOP图像

　　传统的相机输出灰度和颜色信息，偏振相机不仅仅能输出灰度与颜色信息，以0°、45°、90°和135°不同偏振角度数据为基础，计算Stokes参量，得出DOP和AOP信息，如果将DOP的信息mapping到256灰阶的图像上，将会看到裸眼视觉不一样的信息。图5a的图像是大家熟知的灰度成像，图5b（来自SONY官网）是基于SONY图像传感器相机输出的DOP图像，在这个例子中，DOP图像凸显了玻璃表面的沾污与划痕。图6a和图6b给出了另外一个对比——普通RGB相机图像和AOP信息图像。AOP图像中不同颜色分布，体现了镜片内部应力的不均匀。

图5a                                                  图5b

图6a                                                 图6b

 

图7 AOP伪彩映射

Imalg观点

     基于SONY提供的独特偏振图像传感器，简单易用的偏振相机成为可能。而通过偏振的相机，我们可以了解到不为人眼所见的另一个奇妙世界。在下一篇中，我们会介绍基于偏振相机的不同应用案例。

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