偏振成像Polarization Imaging

光有三個(gè)基本特性：波長(zhǎng)、強(qiáng)度、偏振。在機(jī)器視覺(jué)中，通過(guò)空間校正，線(xiàn)掃偏振相機(jī)可以增強(qiáng)難以區(qū)分的物體的對(duì)比度，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。那么什么是偏振呢？今天我們來(lái)一起來(lái)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(chǎng)和磁場(chǎng)交替轉(zhuǎn)換的振動(dòng)形成的一定波段范圍的電磁波。我們?nèi)搜壑荒芸吹诫姶挪ㄖ?strong>380nm-780nm這樣一小段范圍的電磁波，稱(chēng)為可見(jiàn)光。電磁波的振動(dòng)方向和傳播方向是垂直的，我們稱(chēng)之為橫波，橫波就出現(xiàn)一個(gè)偏振的問(wèn)題。隨著光學(xué)的發(fā)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(zhì)上來(lái)說(shuō)是偏振的，但是自然界的大多數(shù)情況下，光表現(xiàn)出非偏振的。這是因?yàn)槲覀兯吹降淖匀还猓ㄈ缣?yáng)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(jī)的，不斷變化著的。在我們的觀察時(shí)間段里平均后，在任何一個(gè)方向上都沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。這就是自然光，也叫非偏振光。

線(xiàn)偏振光：讓自然光通過(guò)一個(gè)起偏振器件后，只有一個(gè)方向的偏振光能夠通過(guò)這個(gè)器件，我們就得到了線(xiàn)偏振光。線(xiàn)偏振光的振動(dòng)方向是確定的。

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

圓偏振光：這種光的偏振方向是有規(guī)律地旋轉(zhuǎn)著的。而光矢量在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的強(qiáng)度是保持一定的。也就是光矢量是沿著一個(gè)圓旋轉(zhuǎn)的。這就是圓偏振光。在我們的觀察時(shí)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(guī)律變化的，而自然光的偏振方向變化是隨機(jī)的，沒(méi)有規(guī)律的。

橢圓偏振光：這種光的偏振方向也是在規(guī)律地旋轉(zhuǎn)著的，但是它的光矢量在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中強(qiáng)度也在變化。也就是光矢量是沿著一個(gè)橢圓旋轉(zhuǎn)的。橢圓偏振光在觀察時(shí)間段里平均后的結(jié)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(guī)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?yàn)樵谶@些介面上反射光的偏振狀態(tài)發(fā)生了變化。

目前，工業(yè)相機(jī)按照顏色輸出模式分為單色和彩色工業(yè)相機(jī)。單色相機(jī)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)用于檢測(cè)紅、藍(lán)、綠和近紅外波段的光強(qiáng)。偏振相機(jī)則用于在多偏振狀態(tài)下捕捉光的強(qiáng)度。

偏振有很多優(yōu)勢(shì)，它可以檢測(cè)幾何和表面，而且可以測(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)應(yīng)用中，可以使用偏振來(lái)增強(qiáng)難以區(qū)分物體的對(duì)比度。通過(guò)與相位檢測(cè)技術(shù)結(jié)合，偏振成像的成像靈敏度比傳統(tǒng)成像高的多。

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。考慮到我們?nèi)庋蹮o(wú)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?yàn)樗麄儾粌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a顯示了由偏振相機(jī)采集的塑料標(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)。圖b由位濾波信道采集的常規(guī)圖像。相比，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)要求的提高，如物體分辨率縮小至亞微米，機(jī)器視覺(jué)行業(yè)在可檢測(cè)性方面面臨著更大更多的挑戰(zhàn)。為此，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，越來(lái)的技術(shù)被開(kāi)發(fā)應(yīng)對(duì)高需求。但是，由于一些材料物理特性，在檢測(cè)時(shí)需要更高的對(duì)比度。偏振就起著關(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。加之相位檢測(cè)技術(shù)，基于偏振的成像比基于強(qiáng)度的成像更加靈敏。

透射結(jié)構(gòu)通常用于透明材料，如玻璃和薄膜。通過(guò)偏振器可將光源轉(zhuǎn)換成線(xiàn)偏振光。當(dāng)線(xiàn)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)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)。

偏振器將光源轉(zhuǎn)換為線(xiàn)偏振光。當(dāng)線(xiàn)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(xiàn)偏振光。它的結(jié)構(gòu)類(lèi)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(xiàn)狀光源，而不是點(diǎn)光源。

例如上圖所示眼鏡，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。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(xiàn)路圖像。在偏振圖像中，由于對(duì)比度增強(qiáng)，表面缺陷更加明顯。

總之，線(xiàn)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。

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