偏振镜光学原理和在机器视觉中的应用

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。