一、偏振介绍
人们向往着光明，植物渴望着阳光，就像雏鸟离不开妈妈，溪流紧贴着大地。
人一睁眼，便看到了光，它无处不在，无奇不有。作为物理光学的研究者、爱好者的我们，从未停歇过对光的本质的探究：牛顿用一块三棱镜拉开了物理光学研究斑驳绚烂的帷幕；托马斯·杨的双缝干涉坐实了光的波动性；而爱因斯坦通过光电效应实验也告诉了我们，光，也具有粒子性；现在普遍认为，光具有波粒二象性；1809年，马吕斯又在实验中发现了光的偏振现象。今天我们就来聊聊光的波动性中的一个特殊现象--偏振。
光是一种电磁波，而波又分为横波和纵波，按电磁波理论，光是横波，它的振动方向和光的传播方向垂直。在垂直于光的传播方向上，光有着不同的振动方向，我们现在把这种振动叫做偏振。
二、使用角向偏振片看偏振方向
线偏振片是一种只允许特定振动方向的光矢量通过的特殊介质，就像人只能竖着走进门一样，只不过这里的人是源源不断的“三角函数”，而门就是偏振片。
自然光透过偏振片会产生偏振现象，当自然光透过线偏振片（起偏器）的时候，透射光会变成与偏振方向一致的线偏振光，如果我们将另一个线偏振片（检偏器）放置在起偏器的后面，使通过起偏器的偏振光通过检偏器，然后慢慢转动检偏器，改变起偏器与检偏器之间的夹角，透过检偏器，我们可以看到透射光会出现有规律的明暗变化，当起偏器和检偏器夹角为00（或1800）时，透过的光强最强，画面最明亮，慢慢转动检偏器使夹角逐渐增大，透过的光强会越来越弱，画面会越来越暗，当夹角为900（或2700）时画面最暗，这就是偏振现象。但是在这整个过程中，我们只涉及到了画面的明暗变化和透射光强，并未涉及方向，那我们该怎样看到偏振方向呢？
我们取下检偏器，在起偏器后面放置一个角向偏振片（角向偏振片是一个偏振方向垂直于半径的偏振片，它由若干个细微的线偏振片组合而成），
当线偏振光透过它时，与偏振方向平行的光正常通过，与偏振方向垂直的光无法透过，他们之间遵从马吕斯定律，通过起偏器和角向偏振片的透射光如图1所示：
图1
我们可以看到它有两个角度接近1800的扇形光斑，在水平方向没有透射光，呈现为黑色；因为角向偏振片偏振方向垂直于半径，且在与起偏器偏振方向相同时光线最亮，由此我们可以得到，起偏器的偏振方向为水平方向，与图像中黑色不透光（水平）方向一致，利用这个原理。我们便看到了偏振光的方向。
三、利用具有同时捕获四个偏振态的相机获取图像
我们并未改变起偏器方向，透过起偏器的偏振光依然是水平偏振。
偏振相机是一种只能捕获某一特定偏振态的CCD相机，偏振相机被广泛用于单一颜色物体的表面、轮廓测量等领域，利用反射、透射光线具有不同的偏振方向，可以拍摄出普通相机难以识别的区域特征。我们把相机正向放置，可以得到图2所示图像：
图2. 900与起偏器重合
首先我们来找相机内与起偏器方向一致的偏振镜片的放置位置，从图中我们可以看到，900方向的图案与我们直接透过角向偏振片看到的图案一致，于是我们就可以知道此时900方向偏振镜片偏振方向为水平方向。
接下来提出一个问题：透过角向偏振片的偏振光只取决于起偏器，还是既取决与起偏器又取决于角向偏振片？也就是说透过两个偏振片的所有光线，偏振方向都与起偏器一致，还是部分一致，抑或是完全不一致？
我们先假设都与起偏器一致，此时透过两个偏振片的光线都是水平偏振，那么我们只需要放置一个垂直偏振片就知道答案了。刚好我们知道相机内900偏振片与起偏器同向，那么我们就知道相机内00方向偏振片与起偏器垂直，接下来我们看00偏振片的图像，可以看到，它是一个“奇奇怪怪”的美丽的图形，不管他是什么图案，如果透过起偏器与角向偏振片的光线都与起偏器一致的话，那么应该看不到任何光线，所以我们就可以否定都与起偏器一致这个答案了。
接下来我们先看“完全不一致”这个猜测，完全不一致也就是说完全没有水平方向的偏振光这个结论不用推导便是错的。角向偏振片是由所有方向的偏振片组合而成，所以一定有偏振方向与起偏器一致的偏振片，必然存在与起偏器偏振方向一致的透射光。故透过起偏器与角向偏振片的透射光的偏振方向与起偏器方向部分一致，根据马吕斯定律，这个透射光理论上有除了与起偏器方向垂直以外的任意偏振方向。
到此我们回过头来分析现象，00的偏振片偏振方向垂直于起偏器，那么水平方向偏振光应该无法进入CCD，在水平偏振光线所在的传播方向（垂直）应为黑色，根据马吕斯定律我们知道水平偏振方向的光只存在于垂直方向，且光强最强；垂直偏振方向的光线只存在于水平方向，且光强最强。因为透射光没有垂直偏振光，所以应当在垂直和水平两个方向看不到光，在四个象限有渐变光，结论与我们的图片一致。
接下来我们分别以450角逆时针旋转相机，使相机的四个偏振方向分别与起偏器重合：
图3. 00与起偏器重合
图4. 450与起偏器重合
图5. 1350与起偏器重合
从图中分析可以得到一致的结果（CCD和镜片一起旋转）
根据图2到图5的分析，我们还可以知道，当左右相机以拍摄图1的方向摆放时，相机为正向摆放。
四、在角向偏振片与CCD之间加入垂直于起偏器的检偏器
先看实验结果，如下图：
图6. 900与起偏器重合
图7.00与起偏器重合
图8. 450与起偏器重合
图9.1350与起偏器重合
首先，我们可以抛开CCD，先看透过检偏器的光线所成的图像，检偏器垂直于起偏器，图像应与图2中00处所成图像一致，此时透过检偏器的光线的偏振方向是什么呢？
图6为正向摆放900方向与起偏器重合，00方向与检偏器重合，因为图6中水平偏振方向（900）没有任何光线，且其他方向的图案相同，00强较强，450与1350方向光强较弱，且光强几乎相同，分析图7、图8、图9可得到相同的结论。于是我们可以得到：透射光线偏振方向只与检偏器有关，偏振方向与检偏器方向一致。
特别感谢
本实验采用大恒图像的MER-502-79U3MPOL偏振相机；这款相机采用了四像素合一的方法，同时得到了四个不同偏转角度上的偏振图像，分别是：00、450、900、1350。
图10. 大恒图像偏振相机排列方式
如图10所示，将4个偏振方向不同像素点当作一个像素点排列在一起，然后通过软件算法的处理，就可以同时得到四幅偏振方向不同的偏振图像。
目前偏振相机的供应方属实不少，像Sony、Dalsa、海康威视等等。大恒图像的这款偏振相机作为国产偏振相机，无论是成像效果、成像质量基本满足实验各种需求。
在此，特别感谢大恒图像无偿提供本次实验的相机设备。
注：由于同时捕获4个偏振方向的图像，使光强差异过大，超出相机动态范围，以至于图像过饱和。