偏振成像在机器视觉检测中的优势

偏振成像Polarization Imaging

光有三个基本特性：波长、强度、偏振。在机器视觉中，通过空间校正，线扫偏振相机可以增强难以区分的物体的对比度，探测到双折射、应力、表面粗糙度以及常规成像无法检测到的物理特性。那么什么是偏振呢？今天我们来一起来看看光的第三大特性——偏振。

偏振的原理：光是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的一定波段范围的电磁波。我们人眼只能看到电磁波中380nm-780nm这样一小段范围的电磁波，称为可见光。电磁波的振动方向和传播方向是垂直的，我们称之为横波，横波就出现一个偏振的问题。随着光学的发展，我们常把磁矢量的方向叫偏振方向，并把磁矢量的传播方向所决定的平面叫做偏振面。

偏振光

自然光：虽然光从本质上来说是偏振的，但是自然界的大多数情况下，光表现出非偏振的。这是因为我们所看到的自然光（如太阳光，灯光）是由许多光波串组成的。这些光波串中每一串都是偏振的，但是它们的偏振方向是随机的，不断变化着的。在我们的观察时间段里平均后，在任何一个方向上都没有优势。这就是自然光，也叫非偏振光。

线偏振光：让自然光通过一个起偏振器件后，只有一个方向的偏振光能够通过这个器件，我们就得到了线偏振光。线偏振光的振动方向是确定的。

部分偏振光：如果线偏振光中混有一部分自然光，也就是说，这种光包含着各种方向的偏振光，而在某一方向的上体现出偏振的优势。这就是部分偏振光。

圆偏振光：这种光的偏振方向是有规律地旋转着的。而光矢量在旋转过程中的强度是保持一定的。也就是光矢量是沿着一个圆旋转的。这就是圆偏振光。在我们的观察时间段中平均后，圆偏振光看上去是与自然光一样的。但是圆偏振光的偏振方向是按一定规律变化的，而自然光的偏振方向变化是随机的，没有规律的。

椭圆偏振光：这种光的偏振方向也是在规律地旋转着的，但是它的光矢量在旋转过程中强度也在变化。也就是光矢量是沿着一个椭圆旋转的。椭圆偏振光在观察时间段里平均后的结果与部分偏振光相似。但是与部分偏振光不同，它的偏振方向以及光矢量的大小是按一定规律变化的。

 

用偏振滤镜可以消除水面、玻璃面和其他非金属表面反射光，这是因为在这些介面上反射光的偏振状态发生了变化。

 

目前，工业相机按照颜色输出模式分为单色和彩色工业相机。单色相机测量在像素级宽带光谱上的光强，而彩色或多光谱相机用于检测红、蓝、绿和近红外波段的光强。偏振相机则用于在多偏振状态下捕捉光的强度。

偏振有很多优势，它可以检测几何和表面，而且可以测量无法用常规成像检测的物理性质。在机器视觉应用中，可以使用偏振来增强难以区分物体的对比度。通过与相位检测技术结合，偏振成像的成像灵敏度比传统成像高的多。

 

图像可视化

偏振图像与基于强度的传统图像基本不相关。在视觉系统中，可以在每个特定的偏振状态或其组合中实现数据处理。考虑到我们肉眼无法看到偏振图像，彩色编码的偏振图像可能是最受欢迎的一种，因为他们不仅可以提供视觉感知，而且可以在彩色成像中利用标准的数据结构和传输协议。

图a显示了由偏振相机采集的塑料标尺的彩色编码偏振图像，其中RGB分别代表0°（s-偏振）、90°（p-偏振）和135°偏振状态。图b由位滤波信道采集的常规图像。相比，偏振成像显示的是塑料尺内部积累的应力，这是常规成像无法检测到的。

 

可探测性

随着检测要求的提高，如物体分辨率缩小至亚微米，机器视觉行业在可检测性方面面临着更大更多的挑战。为此，时间延迟积分，以提高信噪比，以及彩色和多光谱成像，以获得光谱特性，越来的技术被开发应对高需求。但是，由于一些材料物理特性，在检测时需要更高的对比度。偏振就起着关键的作用，因为它对表面或界面上的任何变化都非常敏感。加之相位检测技术，基于偏振的成像比基于强度的成像更加灵敏。

透射结构通常用于透明材料，如玻璃和薄膜。通过偏振器可将光源转换成线偏振光。当线偏振光穿过物体时，由于物体的双折射，通常会发生椭圆偏振。可选补偿器(如λ/4板)也可用于光路中。最后由偏振相机拍摄图像。偏振器和补偿器的角度可以调整，以达到最佳的性能。反射结构用于不透明材料，来自半导体和金属等许多材料的反射光与偏振有关。

偏振器将光源转换为线偏振光。当线性偏振光从物体反射出来时，反射光一般会变成椭圆偏振光。通过旋转偏振片和补偿器的角度，可以获得到达摄像机的线偏振光。它的结构类似于椭圆仪。不同的是，相机不是使用旋转分析仪，而是同时捕获不同的偏振态，具有横向空间分辨率。光是线状光源，而不是点光源。

 

例如上图所示眼镜，机械力导致双折射，这会改变透射光的偏振状态，就像在一副玻璃上引起应力的螺钉中所看到的那样。从未经过滤的通道中可以看到，常规成像无法检测到这种应力。

注意表面上有划痕的电子线路图像。在偏振图像中，由于对比度增强，表面缺陷更加明显。

总之，线扫描偏振成像结合了高灵敏度的偏振相位检测和真正的横向分辨率，为下一代视觉系统提供了在许多需要的应用中的可检测性。

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