偏振成像Polarization Imaging

光有三個基本特性：波長、強度、偏振。在機器視覺中，通過空間校正，線掃偏振相機可以增強難以區分的物體的對比度，探測到雙折射、應力、表面粗糙度以及常規成像無法檢測到的物理特性。那么什么是偏振呢？今天我們來一起來看看光的第三大特性——偏振。

偏振的原理：光是由與傳播方向垂直的電場和磁場交替轉換的振動形成的一定波段范圍的電磁波。我們人眼只能看到電磁波中380nm-780nm這樣一小段范圍的電磁波，稱為可見光。電磁波的振動方向和傳播方向是垂直的，我們稱之為橫波，橫波就出現一個偏振的問題。隨著光學的發展，我們常把磁矢量的方向叫偏振方向，并把磁矢量的傳播方向所決定的平面叫做偏振面。

自然光：雖然光從本質上來說是偏振的，但是自然界的大多數情況下，光表現出非偏振的。這是因為我們所看到的自然光（如太陽光，燈光）是由許多光波串組成的。這些光波串中每一串都是偏振的，但是它們的偏振方向是隨機的，不斷變化著的。在我們的觀察時間段里平均后，在任何一個方向上都沒有優勢。這就是自然光，也叫非偏振光。

線偏振光：讓自然光通過一個起偏振器件后，只有一個方向的偏振光能夠通過這個器件，我們就得到了線偏振光。線偏振光的振動方向是確定的。

部分偏振光：如果線偏振光中混有一部分自然光，也就是說，這種光包含著各種方向的偏振光，而在某一方向的上體現出偏振的優勢。這就是部分偏振光。

圓偏振光：這種光的偏振方向是有規律地旋轉著的。而光矢量在旋轉過程中的強度是保持一定的。也就是光矢量是沿著一個圓旋轉的。這就是圓偏振光。在我們的觀察時間段中平均后，圓偏振光看上去是與自然光一樣的。但是圓偏振光的偏振方向是按一定規律變化的，而自然光的偏振方向變化是隨機的，沒有規律的。

橢圓偏振光：這種光的偏振方向也是在規律地旋轉著的，但是它的光矢量在旋轉過程中強度也在變化。也就是光矢量是沿著一個橢圓旋轉的。橢圓偏振光在觀察時間段里平均后的結果與部分偏振光相似。但是與部分偏振光不同，它的偏振方向以及光矢量的大小是按一定規律變化的。

用偏振濾鏡可以消除水面、玻璃面和其他非金屬表面反射光，這是因為在這些介面上反射光的偏振狀態發生了變化。

目前，工業相機按照顏色輸出模式分為單色和彩色工業相機。單色相機測量在像素級寬帶光譜上的光強，而彩色或多光譜相機用于檢測紅、藍、綠和近紅外波段的光強。偏振相機則用于在多偏振狀態下捕捉光的強度。

偏振有很多優勢，它可以檢測幾何和表面，而且可以測量無法用常規成像檢測的物理性質。在機器視覺應用中，可以使用偏振來增強難以區分物體的對比度。通過與相位檢測技術結合，偏振成像的成像靈敏度比傳統成像高的多。

圖像可視化

偏振圖像與基于強度的傳統圖像基本不相關。在視覺系統中，可以在每個特定的偏振狀態或其組合中實現數據處理。考慮到我們肉眼無法看到偏振圖像，彩色編碼的偏振圖像可能是最受歡迎的一種，因為他們不僅可以提供視覺感知，而且可以在彩色成像中利用標準的數據結構和傳輸協議。

圖a顯示了由偏振相機采集的塑料標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。圖b由位濾波信道采集的常規圖像。相比，偏振成像顯示的是塑料尺內部積累的應力，這是常規成像無法檢測到的。

可探測性

隨著檢測要求的提高，如物體分辨率縮小至亞微米，機器視覺行業在可檢測性方面面臨著更大更多的挑戰。為此，時間延遲積分，以提高信噪比，以及彩色和多光譜成像，以獲得光譜特性，越來的技術被開發應對高需求。但是，由于一些材料物理特性，在檢測時需要更高的對比度。偏振就起著關鍵的作用，因為它對表面或界面上的任何變化都非常敏感。加之相位檢測技術，基于偏振的成像比基于強度的成像更加靈敏。

透射結構通常用于透明材料，如玻璃和薄膜。通過偏振器可將光源轉換成線偏振光。當線偏振光穿過物體時，由于物體的雙折射，通常會發生橢圓偏振。可選補償器(如λ/4板)也可用于光路中。最后由偏振相機拍攝圖像。偏振器和補償器的角度可以調整，以達到最佳的性能。反射結構用于不透明材料，來自半導體和金屬等許多材料的反射光與偏振有關。

偏振器將光源轉換為線偏振光。當線性偏振光從物體反射出來時，反射光一般會變成橢圓偏振光。通過旋轉偏振片和補償器的角度，可以獲得到達攝像機的線偏振光。它的結構類似于橢圓儀。不同的是，相機不是使用旋轉分析儀，而是同時捕獲不同的偏振態，具有橫向空間分辨率。光是線狀光源，而不是點光源。

例如上圖所示眼鏡，機械力導致雙折射，這會改變透射光的偏振狀態，就像在一副玻璃上引起應力的螺釘中所看到的那樣。從未經過濾的通道中可以看到，常規成像無法檢測到這種應力。

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

總之，線掃描偏振成像結合了高靈敏度的偏振相位檢測和真正的橫向分辨率，為下一代視覺系統提供了在許多需要的應用中的可檢測性。

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