偏振鏡光學(xué)原理和在機(jī)器視覺(jué)中的應(yīng)用

有很多機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)對(duì)象物體的表面會(huì)發(fā)出雜亂的眩光（如拋光金屬表面、煙盒、晶片等），這會(huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，降低機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)特征的對(duì)比度。為了減弱或者消除雜散光、眩光等干擾，在很多視覺(jué)檢測(cè)、測(cè)量、定位等系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，我們?cè)阽R頭前面需要搭配偏振鏡來(lái)使用。我們簡(jiǎn)單的看兩幅效果圖，以下圖片是在同樣的時(shí)間，同樣的相機(jī)參數(shù)情況下拍攝的。不同點(diǎn)就在于一個(gè)沒(méi)有使用偏振鏡，下面的圖片拍攝時(shí)采用了高質(zhì)量德國(guó)schneider的偏振鏡片。效果之區(qū)別一目了然。

下面，我們就簡(jiǎn)單的介紹一下偏振鏡的光學(xué)原理和應(yīng)用。

光是一定波段范圍的電磁波，是由與傳播方向垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替轉(zhuǎn)換的振動(dòng)形成的。我們的眼睛能夠看到的只是電磁波中的一個(gè)很小的波長(zhǎng)范圍，即380納米到780納米左右，這個(gè)范圍的電磁波稱為可見(jiàn)光。電磁波的振動(dòng)方向與傳播方向是垂直的，我們稱之為橫波。橫波就必然有一個(gè)偏振的問(wèn)題。由于和光學(xué)發(fā)展歷史有關(guān)的原因，人們常把磁矢量的方向叫做偏振方向，并把磁矢量的傳播方向所決定的平面叫做偏振面。

自然光：雖然光從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是偏振的，但是自然界的大多數(shù)情況下，光表現(xiàn)出非偏振的。這是因?yàn)槲覀兯吹降淖匀还猓ㄈ缣?yáng)光，燈光）是由許多光波串組成的。這些光波串中每一串都是偏振的，但是它們的偏振方向是隨機(jī)的，不斷變化著的。在我們的觀察時(shí)間段里平均后，在任何一個(gè)方向上都沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。這就是自然光，也叫非偏振光。

線偏振光：讓自然光通過(guò)一個(gè)起偏振器件后，只有一個(gè)方向的偏振光能夠通過(guò)這個(gè)器件，我們就得到了線偏振光。線偏振光的振動(dòng)方向是確定的。

部分偏振光：如果線偏振光中混有一部分自然光，也就是說(shuō)，這種光包含著各種方向的偏振光，而在某一方向的上體現(xiàn)出偏振的優(yōu)勢(shì)。這就是部分偏振光。

圓偏振光：這種光的偏振方向是有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)著的。而光矢量在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的強(qiáng)度是保持一定的。也就是光矢量是沿著一個(gè)圓旋轉(zhuǎn)的。這就是園偏振光。在我們的觀察時(shí)間段中平均后，圓偏振光看上去是與自然光一樣的。但是圓偏振光的偏振方向是按一定規(guī)律變化的，而自然光的偏振方向變化是隨機(jī)的，沒(méi)有規(guī)律的。

橢園偏振光：這種光的偏振方向也是在規(guī)律的旋轉(zhuǎn)著的，但是它的光矢量在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中強(qiáng)度也在變化。也就是光矢量是沿著一個(gè)橢園旋轉(zhuǎn)的。橢園偏振光在觀察時(shí)間段里平均后的結(jié)果與部分偏振光相似。但是與部分偏振光不同，它的偏振方向以及光矢量的大小是按一定規(guī)律變化的。

用偏振濾鏡可以消除水面、玻璃面和其他非金屬表面反射光，這是因?yàn)樵谶@些介面上反射光的偏振狀態(tài)發(fā)生了變化。

       我們大家都知道，光在不同折射率的介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射和折射。入射角與反射角、折射角的關(guān)系分別服從反射定律和折射定律。在非金屬的界面上，當(dāng)入射光線與折射光線成直角時(shí)，反射光線將是線偏振光，這就是有名的布儒斯特原理。此時(shí)的入射角就稱為布儒斯特角。從下圖可以看出，當(dāng)光線從空氣（介質(zhì)1，嚴(yán)格地說(shuō)應(yīng)該是真空）射入介質(zhì)2時(shí)，布儒斯特角的正切值等于介質(zhì)2的折射率n。由于介質(zhì)的折射率是與光波長(zhǎng)有關(guān)的，對(duì)同樣的介質(zhì)，布儒斯特角的大小也是與光波長(zhǎng)有關(guān)的。以光學(xué)玻璃折射率1.4-1.9計(jì)算，布儒斯特角大約為54-62度左右。當(dāng)入射角偏離布儒斯特角時(shí)，反射光將是部分偏振光。