一、偏振相机的基本概念
众所周知，光是振动平面和其传播方向互相垂直的横波，具有传播方向、强度、波长等诸多特性。除此之外，光还具有一种神奇的特性——偏振特性。偏振光分为完全偏振光和部分偏振光，其中完全偏振光又分为圆偏振光和线偏振光。图中给出了无偏振的自然光与线偏振光的区别：灯泡发出的光具有任意的振动方向，因此是无偏振的，当它穿透偏振滤光片时，只有沿着某一个特定振动方向传播的光可以通过，其他振动方向的光要么被吸收，要么被反射，此时透射光成为了完全的线偏振光。
无偏振的自然光，经过偏振片以后变为线偏振光
由于人眼的生理结构限制，在不借助于光学器件的条件下，裸眼无法感知光的偏振特性。而自然界中许多复眼昆虫却是运用偏振光的高手，如蜜蜂、蚂蚁、蜻蜓、蟋蟀、天牛等等，它们可以借助于天空偏振光的分布信息来给自己导航。当意识到偏振光的重要性，人们为了像复眼昆虫一样也能够看到偏振光，便研发了专门用于偏振成像的设备，我们称之为偏振相机。二、偏振相机的应用领域
无论在军用领域还是民用领域，偏振相机的应用都非常广泛。这里着重介绍几种关注度比较高的用途。（一）军用领域
1、军事假目标的识别
现代战争条件下，军事装备的信息化程度越来越高，单套装备成本造价也动辄数千万乃至上亿人民币。为了尽最大可能保护己方装备不遭突袭破坏，同时为了消耗敌方昂贵且有限的弹药储备，交战双方都会使用大量的军事假目标用以欺骗对手。为了达成很好的欺骗效果，借助于各种高科技手段，军事假目标做得越来越逼真。下图为仿照苏-30战斗机制作的假目标，不但在体积、形状、颜色上与真机完全一致，而且高度模仿了真实目标的红外辐射特征。无论是使用彩色相机还是红外相机，都难以辨别真假，这样会让传统的战场侦察手段几乎全部失效。
架设中的苏-30战机假目标
然而，为了控制成本以及便于拆装和布设，军事假目标所使用的大多是轻便材料，比如表面涂色的泡沫或充气的帆布等。因此，真假目标之间的最主要区别是材质不同。如果使用可以判别目标材质的侦察成像设备，则可轻易区分出军事假目标。现有技术条件下能实现这一功能的观测仪器只有两种：成像光谱仪以及偏振相机。成像光谱仪为了得到目标的光谱分布进而判别出目标性质，需要拍摄成百上千张图像，而且需要耗时的计算分析过程，在瞬息万变的战场环境下这是不允许的。然而，偏振相机借助于简单的先验知识就可轻易区分金属目标和非金属目标。因此，在“时间就是生命”的战场环境下，偏振相机是理想的军事假目标侦察设备。下图给出了使用偏振相机区分目标材质的实验图像，可见虽然真假树叶在普通灰度图中的差别并不明显，但偏振图像中却可以轻易将二者区分开来。
真假树叶的普通图像和偏振图像对比
2、低对比度军事目标的发现和识别
对于军用无人机等低、慢、小目标，早期发现至关重要，然而这些军事目标的涂装往往是低对比度的浅灰色，容易和天空背景混为一体，用传统相机难以发现。另外，在低空山谷中飞行的目标，其背景图像纹理特征复杂，在使用传统相机对目标进行精确跟踪时，复杂背景的干扰很容易导致目标失锁甚至完全丢失。对于以上两种情况，使用偏振相机的优势巨大：由于目标的表面材质与背景差异巨大，因此在偏振图像中不会受到背景的复杂纹理影响，可轻易从中提取有用的目标信息。下图所示为不同相机拍摄同一场景的结果，可见目标船只在偏振图像中更容易识别。
普通相机和偏振相机获得的背景干扰下的目标图像对比
下图给出了偏振相机识别低对比度目标的原理演示实验结果，拍摄目标是盛在器皿中的水，可以看到：使用普通的灰度相机时，目标（水）与背景（水泥地面）之间的灰度差别很小，难以区分和识别；而偏振相机拍摄图像中的目标特征极为明显，极大地提高了目标识别的可靠性。
使用不同相机获得的目标图像
（二）民用领域
偏振相机在民用领域的应用更为广泛，根据用户对象的不同可分为三大类：科研应用、工业应用以及医学应用。主要应用领域是：透镜的光学指标检测、玻璃应力检测、皮肤癌的在线早期无创检测等。1、科研院所的前沿课题应用
（1） 偏振光导航
偏振相机的一大特点就是模仿复眼昆虫所具备的天空偏振光导航能力，并利用它精确测量出天空的偏振分布模式，进而通过推断出太阳的准确方位来实现导航。下图给出了获得的天空偏振模式分布结果，可见天空的偏振角沿着太阳子午线的方向呈现出严格的对称分布图样。
天空灰度图像以及对应的偏振角分布图像（箭头所指为太阳方位）
（2）偏振去雾霾
当前，雾霾问题在我国是一个亟待解决的环境问题。长时间雾霾天气不但会损害居民健康，而且由此造成的能见度降低问题也严重影响交通安全。有鉴于此，去雾霾清晰化成像技术在近年来逐渐成为了研究的热点。然而，传统技术往往只是依赖于单纯图像处理的手段，其去雾霾效果有限。随着偏振相机的引入，去雾霾技术逐渐迎来了曙光，它让我们第一次可以从光学原理的角度解决雾霾问题。众所周知，自然场景本身的辐射光偏振度相对较低，但对于大气微粒的散射光而言，随着与拍摄者距离的增加其偏振分布有规律可循。通过偏振成像手段，可识别出那些属于大气散射的光线并加以抑制，从而达到去雾霾的效果。
偏振去雾前后的效果对比
（3）激光三维扫描点云的精度优化
激光扫描仪是依赖于光的飞行时间原理来实施测距的，但是受目前技术水平限制其测距精度往往只能达到亚厘米级，这在某些高精度应用场合显得捉襟见肘。2015年，美国麻省理工学院（MIT）Achuta Kadambi等人的研究表明，偏振相机可辅助激光扫描仪用于目标三维测量，而且能够将测量结果的精度提高1个数量级以上。图9给出了三维点云精度优化前后对比图，可见改进效果明显
（4）水面以上视角下的水下目标探测
生活中稍加留意我们就可发现：即便池塘中水体的清澈度很高，一般也很难观察到水面以下的景象。究其原因，这是由于水面反射的天空光遮蔽了水面以下目标辐射光所致，如图所示。图中可见只要去除天空在水面反射光的干扰，水下场景就清晰显现。偏振相机所具备的能力让这个想法得以成为现实。
光学理论告诉我们，水面反射光具有很强的偏振性，而自水下发出的光则是无偏振的。因此，利用偏振相机可以轻易将二者区分开来。下图给出了偏振消光前后对同一水域的成像结果，可见处理后的图像中，水面以下深达6英尺的石头清晰显现。这一技术可用于水域搜救、沉船打捞等场合，应用前景广阔。
（5）其它应用
除了上述应用以外，偏振相机还可以用于光纤传输模式分析、自适应光学中的波前相位测量等等诸多前沿技术领域，由于涉及理论较为专业和复杂，这里不做展开介绍。2、工业应用
（1）玻璃瑕疵检测
手机屏幕瑕疵检测将会是偏振相机在工业领域的典型应用，前景广阔。显示屏幕在加工过程中难免出现表面磕碰、划伤等问题，由于这些瑕疵非常细微，玻璃本身又是高度透明的，这使得基于传统相机的机器视觉系统难以高效定位和测量这些缺陷。虽然使用Zygo表面干涉仪等高精密设备可解决该问题，但是检测速度太慢，而且设备价格非常昂贵。在偏振相机还未普及时，大部分公司不得不采用人工筛查的方法：工人从多个角度目视观察玻璃表面，通过表面反光来定位和评估瑕疵缺陷。该方法在实际操作中不但速度和效率低下，而且检测工人极易产生视觉疲劳，漏检率高。下为我们在实验室获得的手机透明玻璃盖板的偏振成像结果，可以非常明显的观察到表面瑕疵部位，甚至可见清晰的指纹印记。
（2）透明光学元件的应力双折射测量
在生产制造透明的光学元件时，经常需要准确获取应力双折射参数指标以便于对其光学性能进行准确评估。此时，传统的基于结构光的视觉测量手段对透明目标无效。但是，几乎所有的光学元件材料（例如玻璃）都具备双折射特性，偏振光在透过它们时会改变原本的偏振特性，因此偏振相机先天具有测量透明目标的能力，借由分析光的偏振信息改变量来推导出光学元件的应力双折射指标，其测量精度可以达到亚纳米级。下图为日本Photonic Lattice公司生产的双折射率测量仪以及对平板玻璃的应力双折射测量结果（用伪彩色显示），该仪器的核心部件是该公司自行生产的PI-110型偏振相机。
下图为美国Hinds公司生产的应力双折射测量显微镜，其优点是测量精度很高，缺点是测量速度较慢（点扫描模式，100点/秒）。
（3）透明物体应力分析
对于有些透明的光学元件来说，外力的施加会改变其双折射分布。由于偏振相机可以记录下材料的双折射改变量，因此它也可用于测量材料所承受应力的大小，这在精密光学元件安装时尤其有用：偏振相机可监测光学元件受力异常的位置，从而避免元件面型细微改变所造成的系统整体光学性能下降。下图是偏振相机获取的光学镜片安装应力分布结果，可见上方的固定螺丝拧的过紧，导致镜片出现了应力形变。
伪彩色图中，上方螺丝拧得过紧，导致镜片受力产生偏振双折射
（4）特殊工件的识别与判读
除了上述应用以外，偏振相机还可以用于许多普通相机无法处理的非常规工件的视觉测量。下图给出了表面光反射率几乎为零的工件的视觉测量应用。传统相机获得的图像近乎全黑，很难分辨出细节，但是换用偏振相机后其结果则有很大改善。
传统相机（左图）与偏振相机（右图）用于黑色目标的成像效果对比
下图给出了药厂检测胶囊包装日期印码的应用案例。由于检测目标表面纹理较为细密，印码在传统相机获得的图像中受纹理干扰而难以识别。当使用偏振相机后，图像中纹理干扰被显著抑制，印码图像的清晰度得到了很大提高。
传统相机（左图）与偏振相机（右图）用于药品胶囊印码的成像效果对比
3、医疗应用——皮肤癌检测
近年来人类恶性肿瘤发病率逐年上升，早期的发现和及时诊断对提高病人生存率和生活质量至关重要。目前，病理切片是癌症早期筛查的主要手段，已成为多种癌症疾病确诊的“黄金标准”。该方法需要对人体组织进行创伤性切片、固定、染色等后通过显微观察的方式人工确诊。这种方法不但效率低下，对患者创伤较大，而且误诊率也较高。现有相关临床研究结果表明，超过80%的癌变起源于浅表上皮组织，而且发生癌变的细胞在透射或反射偏振光的特性方面与普通细胞有差别。 这一发现无疑让研究人员利用偏振成像方法来筛查早期癌变组织成为了可能。通过对目标组织照射调制的偏振光，更容易识别癌变的异常细胞。下图是皮肤基底细胞癌组织的偏振成像结果，红色圆圈内的区域为癌变细胞组织。图中可见，相对于正常细胞而言，癌细胞在偏振图像中的特异性很明显。
皮肤基底细胞癌（红色圆圈内）的偏振成像结果
然而由于一些技术上的难题尚未完全解决，基于偏振成像的癌症筛查技术一直停留在实验室原理样机阶段。其主要难题有两个：首先，不同类型癌细胞的偏振光学特异性还未完全弄清楚；其次，描述癌细胞的偏振特性需要使用全Stokes矢量，而相应的测量仪器本身就不成熟（如波段太窄等）。下图是一种专门用于皮肤癌检测的商业仪器，又被称为偏振光皮肤镜，它是在普通单反机身的基础上加入特制镜头改装而来。该镜头不但包括了传统的成像镜片组，还包含环形排布的58个LED点光源（其中36个是偏振光源）。工作过程中，通过控制指定一部分光源发光来获取目标组织在特定偏振光照明下的反射图像，结果图像显示给医生以便于判断病情。显然的，这种偏振光皮肤镜只是一种辅助的皮肤癌光学检测仪器，仍然需要依赖医生丰富的相关医学经验，距离实现癌症自动化筛查的目标还很远。
可以关注我们微信公众号并留言哦
川公网安备 51010402000667号