有很多機器視覺檢測對象物體的表面會發出雜亂的眩光（如拋光金屬表面、煙盒、晶片等），這會嚴重影響成像質量，降低機器視覺檢測特征的對比度。為了減弱或者消除雜散光、眩光等干擾，在很多視覺檢測、測量、定位等系統構建時，我們在鏡頭前面需要搭配偏振鏡來使用。我們簡單的看兩幅效果圖，以下圖片是在同樣的時間，同樣的相機參數情況下拍攝的。不同點就在于(yu)一個(ge)沒(mei)有(you)使用偏(pian)振鏡，下面的(de)圖片拍攝時采(cai)用了高質量德國schneider的(de)偏(pian)振鏡片。效果(guo)之區別一目(mu)了然。

    下面，我們就(jiu)簡(jian)單的介紹一下偏振(zhen)鏡的光學(xue)原理和應用。

    光(guang)是(shi)一(yi)定波(bo)(bo)(bo)段范(fan)(fan)圍(wei)的(de)電磁(ci)(ci)波(bo)(bo)(bo)，是(shi)由與傳播(bo)方向垂直的(de)電場和磁(ci)(ci)場交替轉換的(de)振動形成的(de)。我們的(de)眼睛能夠看到(dao)的(de)只是(shi)電磁(ci)(ci)波(bo)(bo)(bo)中(zhong)的(de)一(yi)個很小的(de)波(bo)(bo)(bo)長范(fan)(fan)圍(wei)，即(ji)380納米到(dao)780納米左右，這(zhe)個范(fan)(fan)圍(wei)的(de)電磁(ci)(ci)波(bo)(bo)(bo)稱為可見光(guang)。電磁(ci)(ci)波(bo)(bo)(bo)的(de)振動方

向與(yu)傳播方向是垂(chui)直的，我們稱之為(wei)橫(heng)波。橫(heng)波就(jiu)必(bi)然有一個偏振(zhen)的問題。由于(yu)和光學發(fa)展歷史有關的原因(yin)，人們常把(ba)磁矢(shi)量的方向叫做偏振(zhen)方向，并把(ba)磁矢(shi)量的傳播方向所決(jue)定的平面叫做偏振(zhen)面。

        自(zi)然(ran)(ran)光(guang)：雖然(ran)(ran)光(guang)從(cong)本質上來說是(shi)(shi)(shi)偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)的(de)，但(dan)是(shi)(shi)(shi)自(zi)然(ran)(ran)界的(de)大多(duo)數情況(kuang)下(xia)，光(guang)表現(xian)出非偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)的(de)。這是(shi)(shi)(shi)因為我們(men)所看到的(de)自(zi)然(ran)(ran)光(guang)（如太陽光(guang)，燈光(guang)）是(shi)(shi)(shi)由許多(duo)光(guang)波串(chuan)組成(cheng)的(de)。這些光(guang)波串(chuan)中每(mei)一(yi)串(chuan)都(dou)是(shi)(shi)(shi)偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)的(de)，但(dan)是(shi)(shi)(shi)它們(men)的(de)偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)方向是(shi)(shi)(shi)隨機的(de)，不斷變(bian)化著(zhu)的(de)。在我們(men)的(de)觀察(cha)時間段里平均后，在任何一(yi)個(ge)方向上都(dou)沒有優勢。這就是(shi)(shi)(shi)自(zi)然(ran)(ran)光(guang)，也叫非偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)光(guang)。

       線偏振(zhen)(zhen)光：讓自然(ran)光通(tong)過一(yi)個起偏振(zhen)(zhen)器件后，只有一(yi)個方向的(de)偏振(zhen)(zhen)光能夠通(tong)過這個器件，我們(men)就(jiu)得(de)到了線偏振(zhen)(zhen)光。線偏振(zhen)(zhen)光的(de)振(zhen)(zhen)動方向是確定(ding)的(de)。

       部分(fen)偏(pian)振(zhen)光(guang)(guang)：如果線偏(pian)振(zhen)光(guang)(guang)中混有一部分(fen)自(zi)然光(guang)(guang)，也就(jiu)是(shi)說，這種光(guang)(guang)包(bao)含著各種方向的(de)(de)偏(pian)振(zhen)光(guang)(guang)，而在某一方向的(de)(de)上體現出偏(pian)振(zhen)的(de)(de)優勢。這就(jiu)是(shi)部分(fen)偏(pian)振(zhen)光(guang)(guang)。

        圓(yuan)偏(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)：這(zhe)種光(guang)(guang)的(de)(de)偏(pian)振(zhen)(zhen)方向是有規(gui)律的(de)(de)旋(xuan)(xuan)轉著(zhu)的(de)(de)。而光(guang)(guang)矢量在(zai)旋(xuan)(xuan)轉過程中的(de)(de)強(qiang)度是保(bao)持一定的(de)(de)。也就(jiu)是光(guang)(guang)矢量是沿著(zhu)一個圓(yuan)旋(xuan)(xuan)轉的(de)(de)。這(zhe)就(jiu)是園偏(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)。在(zai)我(wo)們的(de)(de)觀察時間(jian)段中平均后(hou)，圓(yuan)偏(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)看上去是與(yu)自然光(guang)(guang)一樣的(de)(de)。但是圓(yuan)偏(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)的(de)(de)偏(pian)振(zhen)(zhen)方向是按一定規(gui)律變化(hua)的(de)(de)，而自然光(guang)(guang)的(de)(de)偏(pian)振(zhen)(zhen)方向變化(hua)是隨機的(de)(de)，沒(mei)有規(gui)律的(de)(de)。

        橢(tuo)園偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)光(guang)(guang)：這種光(guang)(guang)的(de)偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)方向也是在(zai)規律的(de)旋轉著的(de)，但是它的(de)光(guang)(guang)矢(shi)(shi)量在(zai)旋轉過(guo)程中強度也在(zai)變化。也就是光(guang)(guang)矢(shi)(shi)量是沿(yan)著一個橢(tuo)園旋轉的(de)。橢(tuo)園偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)光(guang)(guang)在(zai)觀察時間段里平均后的(de)結果(guo)與(yu)部(bu)分(fen)偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)光(guang)(guang)相似。但是與(yu)部(bu)分(fen)偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)光(guang)(guang)不同，它的(de)偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)方向以及(ji)光(guang)(guang)矢(shi)(shi)量的(de)大小是按一定規律變化的(de)。

        用偏振(zhen)濾鏡可以消除水(shui)面(mian)、玻璃面(mian)和其他非金屬表面(mian)反射光(guang)，這是因為在這些(xie)介面(mian)上(shang)反射光(guang)的偏振(zhen)狀態發生了變化。

        我們大家都知道，光在(zai)不同(tong)折射(she)(she)(she)率的介質的界(jie)面(mian)上會發生反射(she)(she)(she)和折射(she)(she)(she)。入(ru)射(she)(she)(she)角與(yu)反射(she)(she)(she)角、折射(she)(she)(she)角的關系分別服(fu)從反射(she)(she)(she)定(ding)律(lv)和折射(she)(she)(she)定(ding)律(lv)。在(zai)非金屬的界(jie)面(mian)上，當入(ru)射(she)(she)(she)光線與(yu)折射(she)(she)(she)光線成直(zhi)角時，反射(she)(she)(she)光線將是線偏振光，這(zhe)就是有名

的(de)(de)布儒斯特(te)原理。此時的(de)(de)入射(she)角就稱為布儒斯特(te)角。從下圖可(ke)以看出(chu)，當光線從空氣（介(jie)質1，嚴格地說應該是(shi)真空）射(she)入介(jie)質2時，布儒斯特(te)角的(de)(de)正(zheng)切(qie)值等于介(jie)質2的(de)(de)折射(she)率n。由于介(jie)質的(de)(de)折射(she)率是(shi)與光波(bo)長(chang)有關(guan)的(de)(de)，對同樣的(de)(de)介(jie)質，布

儒(ru)斯特角(jiao)(jiao)的大小(xiao)也是(shi)與光波長有關(guan)的。以(yi)光學(xue)玻璃(li)折射率(lv)1.4-1.9計算，布儒(ru)斯特角(jiao)(jiao)大約為(wei)54-62度左右。當入射角(jiao)(jiao)偏離(li)布儒(ru)斯特角(jiao)(jiao)時，反射光將是(shi)部分偏振光。

        園(yuan)偏(pian)振(zhen)(zhen)鏡是(shi)由一(yi)塊(kuai)線(xian)偏(pian)振(zhen)(zhen)鏡和(he)(he)一(yi)塊(kuai)四(si)分(fen)之一(yi)波片(pian)組(zu)成的(de)(de)(de)。四(si)分(fen)之一(yi)波片(pian)是(shi)用一(yi)種(zhong)(zhong)各向(xiang)(xiang)異(yi)性(xing)介(jie)質(zhi)(zhi)做成的(de)(de)(de)。光(guang)(guang)(guang)在這種(zhong)(zhong)介(jie)質(zhi)(zhi)中(zhong)傳(chuan)(chuan)播(bo)(bo)時(shi)，可以分(fen)解為(wei)(wei)兩種(zhong)(zhong)光(guang)(guang)(guang)矢(shi)量(liang)相互垂(chui)直的(de)(de)(de)線(xian)偏(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)(guang)，一(yi)種(zhong)(zhong)稱為(wei)(wei)尋常(chang)光(guang)(guang)(guang)線(xian)（Ordinary light，O光(guang)(guang)(guang)），另一(yi)種(zhong)(zhong)稱為(wei)(wei)非常(chang)光(guang)(guang)(guang)線(xian)（Extra-ordinary light，E光(guang)(guang)(guang)）。這兩種(zhong)(zhong)光(guang)(guang)(guang)在介(jie)質(zhi)(zhi)中(zhong)的(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)播(bo)(bo)速度(du)是(shi)不同的(de)(de)(de)。當一(yi)束線(xian)偏(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)(guang)以適當的(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)（即偏(pian)振(zhen)(zhen)方(fang)向(xiang)(xiang)與O光(guang)(guang)(guang)、E光(guang)(guang)(guang)方(fang)向(xiang)(xiang)均成45度(du)）射(she)入這種(zhong)(zhong)介(jie)質(zhi)(zhi)中(zhong)時(shi)，就能分(fen)解成強度(du)相等的(de)(de)(de)O光(guang)(guang)(guang)和(he)(he)E光(guang)(guang)(guang)在介(jie)質(zhi)(zhi)中(zhong)傳(chuan)(chuan)播(bo)(bo)（如下圖，紅色矢(shi)量(liang)表示入射(she)偏(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)(guang)方(fang)向(xiang)(xiang)，振(zhen)(zhen)動著的(de)(de)(de)紅點分(fen)別表示O光(guang)(guang)(guang)和(he)(he)E光(guang)(guang)(guang)方(fang)向(xiang)(xiang)）。

        由于O光(guang)與(yu)E光(guang)在各向異性介質(zhi)中(zhong)的傳播速度不同，入射(she)時(shi)線(xian)偏振光(guang)分解成的O光(guang)與(yu)E光(guang)是同相位的。經過(guo)一段(duan)距(ju)離的傳播后，O光(guang)與(yu)E光(guang)之間就會(hui)產(chan)生一定(ding)的相位差。

        但(dan)是，如果O光(guang)(guang)與E光(guang)(guang)之間的(de)位(wei)相(xiang)差不(bu)是90度，則合成(cheng)的(de)光(guang)(guang)就會是不(bu)同橢(tuo)園度的(de)橢(tuo)園偏振(zhen)光(guang)(guang)（或者線偏振(zhen)光(guang)(guang)）。下圖列出了幾種不(bu)同位(wei)相(xiang)差時的(de)情況。

        我(wo)們知道，圓周角是360度，相當于(yu)一(yi)(yi)個波(bo)長。上(shang)述的(de)(de)90度位(wei)相差也就(jiu)(jiu)相當于(yu)四(si)(si)分之(zhi)一(yi)(yi)的(de)(de)波(bo)長。如(ru)果各向(xiang)異性介質的(de)(de)厚度正好能在O光與(yu)E光之(zhi)間引起90度的(de)(de)位(wei)相差，就(jiu)(jiu)能把一(yi)(yi)定偏(pian)振(zhen)方向(xiang)的(de)(de)線偏(pian)振(zhen)光“變(bian)成(cheng)(cheng)”園偏(pian)振(zhen)光。因此我(wo)們稱(cheng)其為四(si)(si)分之(zhi)一(yi)(yi)波(bo)片(pian)。如(ru)果這種介質的(de)(de)厚度引起了(le)180度的(de)(de)位(wei)相差，就(jiu)(jiu)會使入射的(de)(de)線偏(pian)振(zhen)光“轉過”了(le)90度（下圖(tu)）。我(wo)們稱(cheng)其為半波(bo)片(pian)。前面說(shuo)過，園偏(pian)振(zhen)濾(lv)鏡(jing)就(jiu)(jiu)是由線偏(pian)振(zhen)鏡(jing)加上(shang)一(yi)(yi)塊四(si)(si)分之(zhi)一(yi)(yi)波(bo)片(pian)組(zu)成(cheng)(cheng)的(de)(de)，而且，線偏(pian)振(zhen)鏡(jing)的(de)(de)偏(pian)振(zhen)方向(xiang)與(yu)四(si)(si)分之(zhi)一(yi)(yi)波(bo)片(pian)的(de)(de)O光（或E光）成(cheng)(cheng)45度的(de)(de)。

        在風光攝影(ying)中，偏(pian)振(zhen)鏡(jing)確(que)實(shi)有(you)不可(ke)替代的(de)(de)用(yong)途。絕大部分濾鏡(jing)的(de)(de)效果我們都可(ke)以(yi)通過電腦后期(qi)處(chu)理來模擬，唯獨只(zhi)有(you)偏(pian)振(zhen)鏡(jing)的(de)(de)效果是無法模擬的(de)(de)，只(zhi)能一(yi)次拍成。這說法本身(shen)并(bing)沒有(you)大錯，但是這一(yi)句“必備(bei)濾鏡(jing)”卻讓不少攝影(ying)初(chu)學(xue)者誤會(hui)了：以(yi)為“必備(bei)”的(de)(de)意思，就(jiu)是“永遠(yuan)都需(xu)要(yao)用(yong)”，于(yu)是就(jiu)老(lao)老(lao)實(shi)實(shi)的(de)(de)永遠(yuan)把偏(pian)振(zhen)鏡(jing)擰在了鏡(jing)頭前方，再也不摘下來了。

偏振鏡的(de)作(zuo)用

        最簡單地解(jie)釋：可(ke)以濾除反光。自(zi)然光從光源發射(she)出(chu)來(lai)，被物體的(de)(de)表面反射(she)以后，光的(de)(de)屬性就被偷偷改(gai)變了，我們(men)將這種(zhong)光叫做(zuo)偏(pian)(pian)振光。人的(de)(de)眼睛無法辨識偏(pian)(pian)振光和自(zi)然光的(de)(de)不同，所以我們(men)不能直觀的(de)(de)“看(kan)到”這個變化。但偏(pian)(pian)振鏡就像是(shi)一個過濾器(qi)，它允許自(zi)然光通過，卻(que)可(ke)以攔截一些偏(pian)(pian)振光，這樣就可(ke)以人為的(de)(de)去除“反光”的(de)(de)影(ying)響。

        這(zhe)是非常要(yao)緊(jin)的事！在(zai)拍(pai)(pai)攝九寨溝的水時，可以(yi)去掉討厭的水面反光(guang)，拍(pai)(pai)到色彩(cai)斑斕的水底植(zhi)物(wu)；在(zai)拍(pai)(pai)攝櫥窗時，可以(yi)消除玻璃上(shang)反射的霓虹燈光(guang)，拍(pai)(pai)到櫥窗里漂(piao)亮的展品。特別是在(zai)拍(pai)(pai)攝藍天(tian)白(bai)(bai)云(yun)(yun)時，可以(yi)過濾一部分天(tian)空(kong)反光(guang)，加(jia)(jia)深天(tian)空(kong)藍色，白(bai)(bai)云(yun)(yun)便更加(jia)(jia)突(tu)顯。

偏(pian)振鏡的使(shi)用方(fang)法(fa)

       偏(pian)(pian)振鏡(jing)通常由兩(liang)個(ge)鐵(tie)環組成(cheng)，一(yi)(yi)個(ge)鐵(tie)環可(ke)(ke)以安(an)裝在(zai)鏡(jing)頭(tou)的(de)(de)(de)前方(fang)，擰緊(jin)后就(jiu)不再運(yun)動，另一(yi)(yi)個(ge)則承載著一(yi)(yi)片玻(bo)(bo)璃(li)，在(zai)鐵(tie)環擰緊(jin)之后，它仍(reng)然可(ke)(ke)以自(zi)由旋轉(zhuan)。在(zai)使用(yong)偏(pian)(pian)振鏡(jing)的(de)(de)(de)時候，我們需要(yao)在(zai)取景器里觀察需要(yao)消除(chu)的(de)(de)(de)反光(guang)(guang)(guang)，左右掐住偏(pian)(pian)振鏡(jing)的(de)(de)(de)前環慢(man)慢(man)旋轉(zhuan)——很快會找到最佳的(de)(de)(de)旋轉(zhuan)角度讓反光(guang)(guang)(guang)消失(shi)。不過，偏(pian)(pian)振鏡(jing)一(yi)(yi)次只能濾除(chu)一(yi)(yi)個(ge)方(fang)向的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)振光(guang)(guang)(guang)，可(ke)(ke)能同一(yi)(yi)個(ge)畫面(mian)中濾掉(diao)(diao)玻(bo)(bo)璃(li)反光(guang)(guang)(guang)時，水面(mian)上的(de)(de)(de)反光(guang)(guang)(guang)就(jiu)濾不掉(diao)(diao)；濾掉(diao)(diao)了(le)水面(mian)的(de)(de)(de)反光(guang)(guang)(guang)，玻(bo)(bo)璃(li)的(de)(de)(de)反光(guang)(guang)(guang)又明(ming)顯起來(lai)。

偏振鏡使用的誤(wu)區

        偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)鏡最擅長過(guo)濾的(de)是(shi)(shi)入(ru)射角(jiao)和(he)反(fan)射角(jiao)的(de)夾角(jiao)為90度的(de)反(fan)光(guang)，越(yue)是(shi)(shi)接(jie)近180度的(de)反(fan)光(guang)它就(jiu)越(yue)是(shi)(shi)無(wu)能為力(li)。比如(ru)頭頂正上(shang)方的(de)太陽光(guang)射在(zai)水面(mian)(mian)上(shang)，偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)鏡是(shi)(shi)無(wu)法起作用的(de)。另外，金屬表面(mian)(mian)的(de)反(fan)光(guang)并不是(shi)(shi)偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)光(guang)，偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)鏡對這(zhe)樣的(de)反(fan)光(guang)也無(wu)能為力(li)。鏡子(zi)是(shi)(shi)在(zai)玻璃上(shang)鍍上(shang)薄(bo)薄(bo)的(de)水銀、銀或鋁做成的(de)，所以也不是(shi)(shi)偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)光(guang)。想象一(yi)下，如(ru)果面(mian)(mian)對一(yi)面(mian)(mian)鏡子(zi)拿起相(xiang)機，一(yi)旋(xuan)轉偏(pian)(pian)(pian)(pian)振(zhen)鏡，自己就(jiu)從鏡子(zi)里消失(shi)了，這(zhe)是(shi)(shi)多么恐(kong)怖的(de)事(shi)！

        特別需要指出(chu)的(de)(de)(de)是，偏振鏡會(hui)導致2-3倍的(de)(de)(de)光線(xian)損(sun)失，這樣(yang)一(yi)來(lai)，相(xiang)機(ji)便因為得不到足夠的(de)(de)(de)光線(xian)而無法使用高(gao)速(su)快門，在(zai)光線(xian)稍(shao)不充足的(de)(de)(de)情況下(xia)，甚(shen)至容易(yi)因為相(xiang)機(ji)抖動而拍出(chu)模(mo)糊的(de)(de)(de)照片來(lai)。有(you)不少懶(lan)人還(huan)將UV鏡與偏振鏡疊加在(zai)一(yi)起使用，由(you)于兩(liang)個濾鏡疊加的(de)(de)(de)鏡框太(tai)厚，擋住(zhu)了(le)(le)鏡頭取景，還(huan)在(zai)畫面的(de)(de)(de)四個角上形成了(le)(le)嚴重的(de)(de)(de)暗角。

        為了(le)達到(dao)盡量(liang)完(wan)美的(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)效果(guo)，光(guang)學設(she)計師費(fei)了(le)很(hen)大的(de)(de)功夫才(cai)終于(yu)減少了(le)鏡(jing)頭里(li)用(yong)到(dao)的(de)(de)玻璃片(pian)。這個改進(jin)的(de)(de)過程有(you)時很(hen)漫(man)長，比如花了(le)十年，才(cai)終于(yu)把一(yi)枚原本由6片(pian)鏡(jing)片(pian)組(zu)成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)鏡(jing)頭減少到(dao)5片(pian)鏡(jing)片(pian)。雖然(ran)今天已經有(you)了(le)多(duo)層(ceng)鍍膜技(ji)術(shu)來(lai)大大改善透光(guang)率(lv)，但100%透明(ming)的(de)(de)物體是不存在(zai)的(de)(de)，成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)品質的(de)(de)損失仍然(ran)會存在(zai)。由于(yu)技(ji)術(shu)和(he)成(cheng)(cheng)(cheng)本的(de)(de)原因，廉價(jia)的(de)(de)鏡(jing)頭所造成(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)成(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)品質損失會更大。

        因此，偏振鏡是個好東西，但絕不是可以一直安在鏡頭上的，我們只有在必要時才會請它出馬。