Stokes參量
在上一篇“偏振光相機-偏振光”中，我們知道偏振光有線性偏振光、橢圓偏振光、圓偏光。那麼如何定量的描述偏振光呢？Stokes矢量是一種廣泛用來描述偏振光屬性的方法。
圖1 不同類型的偏振光
線性偏振光和圓形偏振光都可以當作橢圓偏振光的特殊形式，如圖2所示，當橢圓的短軸b=0時，此時的橢圓偏振光為線偏光，當橢圓的短軸b=a時，此時的橢圓偏振光為圓偏光。
圖2 橢圓偏振光幾何描述
1852年，斯托克斯(Stokes)提出用四個參量來描述光波的強度和偏振态。它們分别是：S0 、S1 、S2 和S3 。S0表示總的入射光強，S1表示x分量和y分量的光強差，S2表示+45°和-45°偏振分量光強差，S3表示左旋和右旋圓偏振分量光強差。在計算中，一般對S0 、S1 、S2 和S3 進行歸一化處理，S0的值在0和1之間，S1 、S2 和S3 的值在-1到+1之間。對于自然非偏光，Ix=Iy，I+45=I-45，Il=Ir。如果S1、S2或者S3不為0，則說明存在偏振光。
Ix------0°方向光強
Iy------90°方向光強
I+45------45°方向光強
I-45------135°（或者稱之為-45°）方向光強
Il------左旋圓偏振光強
Ir------右旋圓偏振光強
S0=I0=Ix+Iy=I+45+I-45=Il+Ir
S1=Ix-Iy
S2=I+45-I-45
S3=Il-Ir
對于全偏振光：S02=S12+S22+S32
對于部分偏振光：0< S12+S22+S32<S02，部分偏振光，可以分解為偏振光加上自然光
偏振度DOP(Degree of Polarization)：用來表征部分偏振光中偏振光部分的比例:
偏振類型PTP(Polarization Type)用來描述偏振部分的形狀：
偏振方向AOP(Angle of Polarization)，橢圓主軸與傳統坐标系x軸的夾角θ：
傳統偏振技術
傳統的偏振相機，通過旋轉偏振片的角度實作，這種實作方式需要外部機械結構的配合，整體相機一般偏大，适合用在科學研究領域。
圖3 傳統偏振相機
SONY偏振技術
SONY推出了獨特的偏振圖像傳感器IMX250MZR/MYR和IMX253MZR/MYR。該系列偏振圖像傳感器采用了如圖4所示的結構。與傳統方式不同，偏振濾片不是在相機外部，而是在傳感内部。在2x2的鄰域内，分别有0°、45°、90°和135°共4個方向的filter。這款圖像傳感器能直接輸出Ix、Iy、I+45和I-45的資料，Stokes參量中的S0、S1、和S2都能友善的計算。
A) 微透鏡B) 防反射膜 C) 偏振濾片 D) Metal層 E)感光photodiode
圖4 SONY偏振傳感器
DOP圖像 &AOP圖像
傳統的相機輸出灰階和顔色資訊，偏振相機不僅僅能輸出灰階與顔色資訊，以0°、45°、90°和135°不同偏振角度資料為基礎，計算Stokes參量，得出DOP和AOP資訊，如果将DOP的資訊mapping到256灰階的圖像上，将會看到裸眼視覺不一樣的資訊。圖5a的圖像是大家熟知的灰階成像，圖5b（來自SONY官網）是基于SONY圖像傳感器相機輸出的DOP圖像，在這個例子中，DOP圖像凸顯了玻璃表面的沾污與劃痕。圖6a和圖6b給出了另外一個對比——普通RGB相機圖像和AOP資訊圖像。AOP圖像中不同顔色分布，展現了鏡片内部應力的不均勻。
圖5a 圖5b
圖6a 圖6b
圖7 AOP僞彩映射
Imalg觀點
基于SONY提供的獨特偏振圖像傳感器，簡單易用的偏振相機成為可能。而通過偏振的相機，我們可以了解到不為人眼所見的另一個奇妙世界。在下一篇中，我們會介紹基于偏振相機的不同應用案例。
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