【小知识】光的偏振态及镜头前加偏振片的去噪原理

导语

最近在做水面图像特征点提取相关的工作，整体的思路一直被限制在如何通过各种各样的图像处理算法来提高最终的实验精度，进展缓慢，前几日经人点拨，尝试通过在相机镜头前加入偏振片，直接从拍照源头去掉某些噪声来获得更好的图片以提高实验精度。当然在尝试之前最应该弄清楚的是，是否加入偏振片可以去除噪声，去除的又是哪一类噪声等问题。为此，我查阅了一些相关资料，得出结论是，我们确实可以通过在镜头前加入偏振片来去除很多的水面反射光以减少水面反射产生的噪声影响，下面对原理做进一步的解释。

光的偏振态以及p光与s光定义

在进行解释之前，我们先对光的偏振态进行说明。由光的波粒二象性，我们知道光既是粒子也是一种电磁波，且是横波，电场和磁场方向相互垂直，且垂直于光波的传播方向，一般提到的偏振态，是指电场的偏振，磁场的偏振和电场相似，只是相互垂直而已。
假设光波的传播方向为 z z z，那么其振动方向就在垂直于 z z z轴的平面内，我们知道平面内的任意矢量都可以用该平面内相互垂直的两个向量进行线性组合获得。如下图所示，
这里就 X X X与 Y Y Y轴的光分量的振幅大小和相位差进行偏振态的区分。

线偏振光

当 X X X与 Y Y Y轴的振幅分量相同且相位相同时，合成光矢量的振动方向在一条直线内，叫做线偏振光

圆偏振光

当 X X X与 Y Y Y轴的振幅分量相同且相位相差90度时，合成光矢量的端点在一个圆的范围内振动，叫做圆偏振光

椭圆偏振光

当 X X X与 Y Y Y轴的振幅分量不等且相位不同时，合成光矢量端点在一个椭圆范围内振动，叫做椭圆偏振光，线偏振光和圆偏振光都是一种特殊的椭圆偏振光。

自然光

光波是横波，即光波矢量的振动方向垂直于光的传播方向。通常，光源发出的光波，其光波矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向，但统计平均来说，在空间所有可能的方向上，光波矢量的分布可看作是机会均等的，它们的总和与光的传播方向是对称的，即光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同，这种光就称为自然光。

p光与s光的定义

偏振入射光的电场分量与入射光及反射光所形成的平面相互垂直。此时的入射光状态称为「s偏振态」，源于德语「senkrecht」。
偏振入射光的电场分量与入射光及反射光所形成的平面相互平行。此时的入射光状态称为「p偏振态」，源于德语「parallel」。
p光与s光也是线偏振光的一种，只从两者的偏振方向相互垂直来区分彼此，当光从光密介质向光疏介质传播时（即 n 1 > n 2 {\displaystyle n_{1}\ >n_{2}} n1 >n2时），p光与s光的反射率存在差别，如下图所示：

我们发现s光的反射率很多时候是大于p光的，很多时候甚至存在p光全穿透，只有s光部分被反射，因时如果我们调整镜头前偏振片的角度就可以将反射光中的s光滤掉，从而在拍摄过程中减少水面反射带来的噪声影响。