偏振成像的基本原理和優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)空間校正，線掃描偏振相機(jī)可以探測(cè)到雙折射、應(yīng)力、表面粗糙度以及常規(guī)成像無(wú)法檢測(cè)到的物理特性。

光有三個(gè)基本特性：強(qiáng)度、波長(zhǎng)和偏振.今天幾乎所有的相機(jī)都是為單色或彩色成像而設(shè)計(jì)的。單色相機(jī)用于測(cè)量在像素級(jí)寬帶光譜上的光強(qiáng)，而彩色或多光譜相機(jī)則用于檢測(cè)紅、綠、藍(lán)和近紅外波段的光強(qiáng)。同樣，偏振照相機(jī)用于在多偏振狀態(tài)下捕捉光的強(qiáng)度。

根據(jù) AIA公司的一項(xiàng)市場(chǎng)調(diào)查，機(jī)器視覺(jué)全球市場(chǎng)在2015年達(dá)到7.6億美元，其中80%來(lái)自單色相機(jī)，20%來(lái)自彩色相機(jī)。雖然偏振片是機(jī)器視覺(jué)中常用的一種，但到目前為止還沒(méi)有線掃描偏振相機(jī)用于捕捉多偏振狀態(tài)的圖像。

偏振提供了許多好處，它不僅檢測(cè)幾何和表面，而且測(cè)量無(wú)法用常規(guī)成像檢測(cè)的物理性質(zhì)。在機(jī)器視覺(jué)中，它可以用來(lái)增強(qiáng)難以區(qū)分的物體的對(duì)比度。與相位檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，偏振成像的成像靈敏感比傳統(tǒng)成像方法高得多。

偏振濾波技術(shù)

就像人類的眼睛一樣，硅不能決定光的偏振。因此，在圖像傳感器前面需要一個(gè)偏振濾波器。圖像傳感器用濾波器定義的偏振狀態(tài)來(lái)檢測(cè)光的強(qiáng)度。

大多數(shù)常見(jiàn)的偏振濾波器可分為三種類型：時(shí)間分割、振幅分割或焦平面分割(表1)。在時(shí)間分割的偏振測(cè)量中，隨著偏振元件(如液晶、偏振片或光彈性調(diào)制器)的旋轉(zhuǎn)或調(diào)制，數(shù)據(jù)是按時(shí)間順序獲得的，其速度受到調(diào)制器的限制。在今天的許多應(yīng)用中，通常需要100 kHz左右的高線速；時(shí)間分割濾波器有其固有的局限性，而且由于設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本也很高。

表1

對(duì)于振幅分割的濾波器而言，光被分成不同的光路，其中每個(gè)光路都有一個(gè)獨(dú)立的傳感器。棱鏡是最常用的部件，但是通常很難實(shí)現(xiàn)很高的裝配精度，而且，通常還需要較大的空間用來(lái)安裝棱鏡。

對(duì)于焦平面分割濾光器，在焦平面上放置一個(gè)微偏振片陣列來(lái)定義不同的偏振態(tài)。該技術(shù)適用于緊湊、穩(wěn)定、低成本的設(shè)計(jì)。然而，對(duì)于區(qū)域掃描成像儀來(lái)說(shuō)，由于每個(gè)像素只提供一個(gè)自然偏振狀態(tài)的數(shù)據(jù)，因此在空間分辨率上存在固有的缺點(diǎn)。這種算法被用來(lái)對(duì)其他算法進(jìn)行插值。

傳感器體系結(jié)構(gòu)

一個(gè)可用的偏振相機(jī)(圖1)包含一個(gè)具有四線架構(gòu)的CMOS傳感器。由納米線組成的微偏振器陣列被放置在硅上，納米線的螺距為140nm，寬度為70nm，而在前三個(gè)線性陣列上，偏振濾光片的取向分別為0°、135°和90°。過(guò)濾光的強(qiáng)度由底層的陣列記錄。第四個(gè)通道是一個(gè)未經(jīng)濾波的陣列，它捕獲的總強(qiáng)度相當(dāng)于一幅傳統(tǒng)圖像，而有源陣列之間的間隙減少了空間串?dāng)_。

圖1.偏振相機(jī)原理圖是傳感器結(jié)構(gòu)。將納米線微偏振器濾光片置于硅(Si)上，在前三個(gè)線陣上分別定義0°(S)、135°和90°(P)偏振態(tài)。第四個(gè)數(shù)組是一個(gè)未經(jīng)過(guò)濾的通道，它記錄傳統(tǒng)的未經(jīng)過(guò)濾的圖像。由Teledyne Dalsa提供。

光是電磁波。它的電場(chǎng)、磁場(chǎng)和傳播方向是正交的。偏振方向被定義為電場(chǎng)方向。電場(chǎng)方向垂直于納米線振蕩方向的光將會(huì)穿過(guò)濾光片，而平行于納米線振蕩方向的光將會(huì)被濾除。當(dāng)線掃描相機(jī)用反射結(jié)構(gòu)與腹板成一定角度安裝時(shí)，0°通道傳輸s偏振光(偏振方向垂直于入射平面)，而90°通道傳輸p偏振光(偏振方向平行于入射平面)。假設(shè)相機(jī)的輸出i0，i90，i135,和iUF分別從0°、90°、135°偏振和未濾波通道輸出，則s偏振態(tài)和p偏振態(tài)的強(qiáng)度分別為：

使用微偏振器濾鏡的線掃描和面掃描之間的關(guān)鍵區(qū)別是每個(gè)像素的原始偏振狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)量。區(qū)域掃描成像儀通常使用以所謂的超像素格式排列的0°，45°，90°和135°偏振濾光片，其中每個(gè)像素捕獲一個(gè)原始偏振態(tài)。然后使用插值算法根據(jù)來(lái)自相鄰像素的信息計(jì)算另外三個(gè)狀態(tài)。由于空間分辨率的損失，導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度不高。另一方面，對(duì)于線掃描相機(jī)，每個(gè)偏振態(tài)都有100%的采樣。物理測(cè)量了多個(gè)自然偏振態(tài)數(shù)據(jù)。納米線微偏振器濾光片的對(duì)比度如圖2所示。

圖2.納米線微偏振器濾光片的對(duì)比度。由Teledyne Dalsa提供。

根據(jù)波長(zhǎng)的不同，對(duì)比度在30~90之間。在未來(lái)的設(shè)計(jì)中可以實(shí)現(xiàn)更高的對(duì)比度。

Stokes參數(shù)，S0，S1，S2等通常被用來(lái)分析材料的物理性質(zhì)。差分偏振、線性偏振度(DoLP)和偏振角(AOP)都是有用的參數(shù)。

圖像可視化

偏振圖像與基于強(qiáng)度的傳統(tǒng)圖像基本不相關(guān)。在視覺(jué)系統(tǒng)中，可以在每個(gè)特定的偏振狀態(tài)或其組合中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理?？紤]到人類無(wú)法看到偏振圖像，所以這是很有用的。彩色編碼的偏振圖像可能是最受歡迎的一種，因?yàn)樗鼈儾粌H可以提供視覺(jué)感知，而且可以在彩色成像中利用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和傳輸協(xié)議。

圖3.彩色編碼偏振圖像(a)與傳統(tǒng)的未經(jīng)濾波的圖像(b)用偏振相機(jī)捕捉到的塑料尺。在偏振圖像中，RGB分別代表0°(S)、90°(P)和135°偏振態(tài)。由Teledyne Dalsa提供。

圖3顯示了由偏振相機(jī)捕獲的塑料標(biāo)尺的彩色編碼偏振圖像，其中RGB分別代表0°(s-偏振)、90°(p-偏振)和135°偏振狀態(tài)。還比較了由未濾波信道捕獲的常規(guī)圖像。顯然，偏振成像顯示的是塑料尺內(nèi)部積累的應(yīng)力，這是常規(guī)成像無(wú)法檢測(cè)到的。

可探測(cè)性

隨著檢測(cè)要求的線速達(dá)到100 kHz左右和物體分辨率縮小到亞微米，機(jī)器視覺(jué)行業(yè)在可檢測(cè)性方面面臨著許多挑戰(zhàn)。不同的技術(shù)被陸續(xù)開發(fā)，如時(shí)間延遲積分，以提高信噪比，以及彩色和多光譜成像，以獲得光譜特性。然而，基于材料物理特性的檢測(cè)，則需要更高的對(duì)比度。偏振在這里起著關(guān)鍵的作用，因?yàn)樗鼘?duì)表面或界面上的任何變化都非常敏感。由于相位檢測(cè)技術(shù)，基于偏振的成像比基于強(qiáng)度的成像更加靈敏。

圖4.透射結(jié)構(gòu)：偏振器將光源轉(zhuǎn)換成線偏振光。當(dāng)線偏振光通過(guò)物體時(shí)，由于雙折射，通常會(huì)變成橢圓偏振?？梢允褂每蛇x的補(bǔ)償器，例如λ/4板。最后由偏振相機(jī)拍攝圖像。由Teledyne Dalsa提供。

透射結(jié)構(gòu)(圖4)通常用于透明材料，如玻璃和薄膜。通常偏振器被用來(lái)將光源轉(zhuǎn)換成線偏振光。當(dāng)線偏振光穿過(guò)物體時(shí)，由于物體的雙折射，通常會(huì)發(fā)生橢圓偏振。可選補(bǔ)償器(如λ/4板)也可用于光路中。最后由偏振相機(jī)拍攝圖像。偏振器和補(bǔ)償器的角度可以調(diào)整，以達(dá)到最佳的性能。反射結(jié)構(gòu)(圖5)用于不透明材料。來(lái)自半導(dǎo)體和金屬等許多材料的反射光與偏振有關(guān)。

圖5.反射結(jié)構(gòu)：偏振器將光源轉(zhuǎn)換成線偏振光。當(dāng)線性偏振光從物體反射出來(lái)時(shí)，反射光一般會(huì)變成橢圓偏振光。旋轉(zhuǎn)偏振片和補(bǔ)償器的角度，以獲得最佳的性能。由Teledyne Dalsa提供。

偏振器將光源轉(zhuǎn)換為線偏振光。當(dāng)線性偏振光從物體反射出來(lái)時(shí)，反射光一般會(huì)變成橢圓偏振光。通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振片和補(bǔ)償器的角度，可以獲得到達(dá)攝像機(jī)的線偏振光。它的結(jié)構(gòu)類似于橢圓儀。不同的是，相機(jī)不是使用旋轉(zhuǎn)分析儀，而是同時(shí)捕獲不同的偏振態(tài)，具有橫向空間分辨率。光是線狀光源，而不是點(diǎn)光源。

例如，在任何一種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)對(duì)象的物理屬性因缺陷而發(fā)生變化時(shí)，該變化改變的偏振狀態(tài)與對(duì)象的其他狀態(tài)不同。然后由高靈敏度的偏振相機(jī)檢測(cè)這一變化。

圖6.偏振像(a)與傳統(tǒng)的未經(jīng)濾波的圖像(b)一副眼鏡。螺釘周圍的應(yīng)力出現(xiàn)在偏振圖像中，而在常規(guī)圖像中看不到。

機(jī)械力導(dǎo)致雙折射，這會(huì)改變透射光的偏振狀態(tài)，就像在一副玻璃上引起應(yīng)力的螺釘中所看到的那樣(圖6)。從未經(jīng)過(guò)濾的通道中可以看到，常規(guī)成像無(wú)法檢測(cè)到這種應(yīng)力。

注意表面上有劃痕的電子線路圖像(圖7)。在偏振圖像中，由于對(duì)比度增強(qiáng)，表面缺陷更加明顯。

圖7.偏振像(a)與傳統(tǒng)的未經(jīng)濾波的圖像(b)印刷電路的。使用偏振成像的對(duì)比度增強(qiáng)顯示了表面的小劃痕，這是常規(guī)成像無(wú)法檢測(cè)到的。由Teledyne Dalsa提供。

線掃描偏振成像結(jié)合了橢圓偏振儀的強(qiáng)大功能和真正的橫向分辨率。橢圓偏振技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種非常靈敏的光學(xué)技術(shù)，其垂直分辨率僅為納米的幾分之一。它被廣泛應(yīng)用于測(cè)定材料的物理性質(zhì)，如薄膜厚度、材料組成、表面形貌、光學(xué)常數(shù)、甚至晶體無(wú)序性。后來(lái)發(fā)展起來(lái)的成像橢圓儀增加了一定程度的橫向分辨率。然而，由于使用的是點(diǎn)光源，它的視場(chǎng)很小(微米-毫米)，因此只適用于顯微鏡。采用線性傳感器和線性光源的線掃描偏振成像克服了這一限制。

布魯斯特角成像

橢圓儀的入射角一般選擇接近布魯斯特角，

其中n是物體的折射率，與波長(zhǎng)有關(guān)。對(duì)于玻璃，n≈1.52和θB≈56°，硅，n≈3.44和θB≈74°，波長(zhǎng)為633 nm。

在布魯斯特角處，p偏振光的反射最小，s-偏振態(tài)和p-偏振態(tài)反射率的差異最大，這給出了最高的靈敏度。當(dāng)非偏振光在布魯斯特角下入射，相機(jī)安裝在鏡面角度時(shí)，p通道捕獲暗信號(hào)，而s通道仍然從反射中捕獲正常信號(hào)。如果完全的p偏振光是在布魯斯特角下入射的，安裝在同一角度上的照相機(jī)會(huì)捕捉到一個(gè)黑暗的背景。表面上任何因缺陷或雜質(zhì)等而產(chǎn)生的偏差，都會(huì)導(dǎo)致區(qū)域明亮。然后可以獲得高對(duì)比度的圖像。但是行掃描的一個(gè)挑戰(zhàn)是，當(dāng)視場(chǎng)比傳感器的長(zhǎng)度大得多時(shí)，就無(wú)法滿足這種情況了。

總之，線掃描偏振成像結(jié)合了高靈敏度的偏振相位檢測(cè)和真正的橫向分辨率，為下一代視覺(jué)系統(tǒng)提供了在許多需要的應(yīng)用中的可檢測(cè)性。

審核編輯：郭婷