有很多機器視覺(jué)檢測對象物體的表面會(huì )發(fā)出雜亂的眩光（如拋光金屬表面、煙盒、晶片等），這會(huì )嚴重影響成像質(zhì)量，降低機器視覺(jué)檢測特征的對比度。為了減弱或者消除雜散光、眩光等干擾，在很多視覺(jué)檢測、測量、定位等系統構建時(shí)，我們在鏡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，同樣的相機參數情況下拍攝的。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schneider的偏振鏡片。效果之區別一目了然。
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(cháng)范圍，即380納米到780納米左右，這個(gè)范圍的電磁波稱(chēng)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(chēng)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情況下，光表現出非偏振的。這是因為我們所看到的自然光（如太陽(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的，不斷變化著(zhù)的。在我們的觀(guān)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。這就是自然光，也叫非偏振光。
線(xiàn)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(xiàn)偏振光。線(xiàn)偏振光的振動(dòng)方向是確定的。
部分偏振光：如果線(xiàn)偏振光中混有一部分自然光，也就是說(shuō)，這種光包含著(zhù)各種方向的偏振光，而在某一方向的上體現出偏振的優(yōu)勢。這就是部分偏振光。
圓偏振光：這種光的偏振方向是有規律的旋轉著(zhù)的。而光矢量在旋轉過(guò)程中的強度是保持一定的。也就是光矢量是沿著(zhù)一個(gè)圓旋轉的。這就是園偏振光。在我們的觀(guān)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律變化的，而自然光的偏振方向變化是隨機的，沒(méi)有規律的。
橢園偏振光：這種光的偏振方向也是在規律的旋轉著(zhù)的，但是它的光矢量在旋轉過(guò)程中強度也在變化。也就是光矢量是沿著(zhù)一個(gè)橢園旋轉的。橢園偏振光在觀(guān)察時(shí)間段里平均后的結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，這是因為在這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，當入射光線(xiàn)與折射光線(xiàn)成直角時(shí)，反射光線(xiàn)將是線(xiàn)偏振光，這就是有名的布儒斯特原理。此時(shí)的入射角就稱(chēng)為布儒斯特角。從下圖可以看出，當光線(xiàn)從空氣（介質(zhì)1，嚴格地說(shuō)應該是真空）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(cháng)有關(guān)的，對同樣的介質(zhì)，布儒斯特角的大小也是與光波長(cháng)有關(guān)的。以光學(xué)玻璃折射率1.4-1.9計算，布儒斯特角大約為54-62度左右。當入射角偏離布儒斯特角時(shí)，反射光將是部分偏振光。
園偏振鏡是由一塊線(xiàn)偏振鏡和一塊四分之一波片組成的。四分之一波片是用一種各向異性介質(zhì)做成的。光在這種介質(zhì)中傳播時(shí)，可以分解為兩種光矢量相互垂直的線(xiàn)偏振光，一種稱(chēng)為尋常光線(xiàn)（Ordinarylight，O光），另一種稱(chēng)為非常光線(xiàn)（Extra-ordinarylight，E光）。這兩種光在介質(zhì)中的傳播速度是不同的。當一束線(xiàn)偏振光以適當的方向（即偏振方向與O光、E光方向均成45度）射入這種介質(zhì)中時(shí)，就能分解成強度相等的O光和E光在介質(zhì)中傳播（如下圖，紅色矢量表示入射偏振光方向，振動(dòng)著(zhù)的紅點(diǎn)分別表示O光和E光方向）。
由于O光與E光在各向異性介質(zhì)中的傳播速度不同，入射時(shí)線(xiàn)偏振光分解成的O光與E光是同相位的。經(jīng)過(guò)一段距離的傳播后，O光與E光之間就會(huì )產(chǎn)生一定的相位差。
但是，如果O光與E光之間的位相差不是90度，則合成的光就會(huì )是不同橢園度的橢園偏振光（或者線(xiàn)偏振光）。下圖列出了幾種不同位相差時(shí)的情況。
我們知道，圓周角是360度，相當于一個(gè)波長(cháng)。上述的90度位相差也就相當于四分之一的波長(cháng)。如果各向異性介質(zhì)的厚度正好能在O光與E光之間引起90度的位相差，就能把一定偏振方向的線(xiàn)偏振光“變成”園偏振光。因此我們稱(chēng)其為四分之一波片。如果這種介質(zhì)的厚度引起了180度的位相差，就會(huì )使入射的線(xiàn)偏振光“轉過(guò)”了90度（下圖）。我們稱(chēng)其為半波片。前面說(shuō)過(guò)，園偏振濾鏡就是由線(xiàn)偏振鏡加上一塊四分之一波片組成的，而且，線(xiàn)偏振鏡的偏振方向與四分之一波片的O光（或E光）成45度的。
在風(fēng)光攝影中，偏振鏡確實(shí)有不可替代的用途。絕大部分濾鏡的效果我們都可以通過(guò)電腦后期處理來(lái)模擬，唯獨只有偏振鏡的效果是無(wú)法模擬的，只能一次拍成。這說(shuō)法本身并沒(méi)有大錯，但是這一句“必備濾鏡”卻讓不少攝影初學(xué)者誤會(huì )了：以為“必備”的意思，就是“永遠都需要用”，于是就老老實(shí)實(shí)的永遠把偏振鏡擰在了鏡頭前方，再也不摘下來(lái)了。
偏振鏡的作用
最簡(jiǎn)單地解釋?zhuān)嚎梢詾V除反光。自然光從光源發(fā)射出來(lái)，被物體的表面反射以后，光的屬性就被偷偷改變了，我們將這種光叫做偏振光。人的眼睛無(wú)法辨識偏振光和自然光的不同，所以我們不能直觀(guān)的“看到”這個(gè)變化。但偏振鏡就像是一個(gè)過(guò)濾器，它允許自然光通過(guò)，卻可以攔截一些偏振光，這樣就可以人為的去除“反光”的影響。
這是非常要緊的事！在拍攝九寨溝的水時(shí)，可以去掉討厭的水面反光，拍到色彩斑斕的水底植物；在拍攝櫥窗時(shí)，可以消除玻璃上反射的霓虹燈光，拍到櫥窗里漂亮的展品。特別是在拍攝藍天白云時(shí)，可以過(guò)濾一部分天空反光，加深天空藍色，白云便更加突顯。
偏振鏡的使用方法
偏振鏡通常由兩個(gè)鐵環(huán)組成，一個(gè)鐵環(huán)可以安裝在鏡頭的前方，擰緊后就不再運動(dòng)，另一個(gè)則承載著(zhù)一片玻璃，在鐵環(huán)擰緊之后，它仍然可以自由旋轉。在使用偏振鏡的時(shí)候，我們需要在取景器里觀(guān)察需要消除的反光，左右掐住偏振鏡的前環(huán)慢慢旋轉——很快會(huì )找到最佳的旋轉角度讓反光消失。不過(guò)，偏振鏡一次只能濾除一個(gè)方向的偏振光，可能同一個(gè)畫(huà)面中濾掉玻璃反光時(shí)，水面上的反光就濾不掉；濾掉了水面的反光，玻璃的反光又明顯起來(lái)。
偏振鏡使用的誤區
偏振鏡最擅長(cháng)過(guò)濾的是入射角和反射角的夾角為90度的反光，越是接近180度的反光它就越是無(wú)能為力。比如頭頂正上方的太陽(yáng)光射在水面上，偏振鏡是無(wú)法起作用的。另外，金屬表面的反光并不是偏振光，偏振鏡對這樣的反光也無(wú)能為力。鏡子是在玻璃上鍍上薄薄的水銀、銀或鋁做成的，所以也不是偏振光。想象一下，如果面對一面鏡子拿起相機，一旋轉偏振鏡，自己就從鏡子里消失了，這是多么恐怖的事！
特別需要指出的是，偏振鏡會(huì )導致2-3倍的光線(xiàn)損失，這樣一來(lái)，相機便因為得不到足夠的光線(xiàn)而無(wú)法使用高速快門(mén)，在光線(xiàn)稍不充足的情況下，甚至容易因為相機抖動(dòng)而拍出模糊的照片來(lái)。有不少懶人還將UV鏡與偏振鏡疊加在一起使用，由于兩個(gè)濾鏡疊加的鏡框太厚，擋住了鏡頭取景，還在畫(huà)面的四個(gè)角上形成了嚴重的暗角。
為了達到盡量完美的成像效果，光學(xué)設計師費了很大的功夫才終于減少了鏡頭里用到的玻璃片。這個(gè)改進(jìn)的過(guò)程有時(shí)很漫長(cháng)，比如花了十年，才終于把一枚原本由6片鏡片組成的鏡頭減少到5片鏡片。雖然今天已經(jīng)有了多層鍍膜技術(shù)來(lái)大大改善透光率，但100%透明的物體是不存在的，成像品質(zhì)的損失仍然會(huì )存在。由于技術(shù)和成本的原因，廉價(jià)的鏡頭所造成的成像品質(zhì)損失會(huì )更大。
因此，偏振鏡是個(gè)好東西，但絕不是可以一直安在鏡頭上的，我們只有在必要時(shí)才會(huì )請它出馬。
