偏振光源在(zài)機器視覺中的(de)應用

在(zài)日常生活中，經常會遇到(dào)各種“反光”現象，使得我們在(zài)觀察事物或攝影時(shí)有一(yī / yì ／yí)定的(de)障礙。比如：觀賞水中的(de)動植物時(shí)，水面上(shàng)常常會有一(yī / yì ／yí)道(dào)道(dào)光斑影響視線；陽光充足的(de)柏油路面上(shàng)，時(shí)常會有耀眼的(de)強光射入司機的(de)眼睛……相應地(dì / de)，在(zài)機器視覺中，我們也(yě)會經常遇到(dào)類似的(de)情況：由于(yú)工件表面上(shàng)的(de)噴漆、鍍膜、玻璃、包裝膜或其它反光材質的(de)影響，工業相機無法順利采集到(dào)高質量的(de)圖像。因圖像的(de)對比度較低或者關鍵特征無法完整呈現，經常會導緻機器視覺系統中誤檢、誤判、精度低、不(bù)穩定等現象的(de)發生，甚至是(shì)輸出(chū)錯誤的(de)數據。然而(ér)，這(zhè)些問題我們是(shì)可以(yǐ)利用光的(de)偏振特性得以(yǐ)解決的(de)。

一(yī / yì ／yí)、偏振基礎原理

1. 偏振光介紹

偏振是(shì)指橫波的(de)振動矢量（垂直于(yú)波的(de)傳播方向）偏于(yú)某些方向的(de)現象，光的(de)偏振現象是(shì)由法國(guó)工程師馬呂斯于(yú)1808年發現的(de)。衆所周知，自然光是(shì)一(yī / yì ／yí)種電磁波，屬于(yú)橫波，其在(zài)垂直于(yú)傳播方向的(de)平面内包含着一(yī / yì ／yí)切可能方向的(de)振動，且平均而(ér)言在(zài)任一(yī / yì ／yí)方向上(shàng)都具有相同的(de)振幅，即振動方向是(shì)對稱的(de)，如圖1所示。然而(ér)，當光的(de)振動方向對于(yú)傳播方向不(bù)對稱性時(shí)，便成了(le／liǎo)偏振光。偏振現象橫波區别于(yú)其他(tā)縱波的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)最明顯的(de)标志。

偏振光按其性質可分爲(wéi / wèi)平面偏振光（或線偏振光），圓偏振光，橢圓偏振光和(hé / huò)部分偏正光。例如，自然光在(zài)傳播過程中經過某種介質（偏振片）後，隻有一(yī / yì ／yí)個(gè)固定振動方向的(de)光能夠通過這(zhè)個(gè)介質，就(jiù)得到(dào)了(le／liǎo)線偏振光。線偏振光的(de)振動方向是(shì)确定的(de)，如圖2所示。

爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)更好地(dì / de)理解光的(de)偏振現象，我們可以(yǐ)借助實驗裝置進行生動地(dì / de)闡述。在(zài)圖3、圖4中，P1（起偏器）、P2（檢偏器）是(shì)兩塊同樣的(de)偏振片。在(zài)圖3中，自然光（如燈光或陽光）通過偏振片P1後，形成了(le／liǎo)偏振光。但由于(yú)人(rén)的(de)眼睛沒有辨别偏振光的(de)能力，故無法察覺。

如果我們把偏振片P1的(de)方位固定，而(ér)把偏振片P2緩慢地(dì / de)轉動，就(jiù)可發現透射光的(de)強度随着P2轉動而(ér)出(chū)現周期性的(de)變化，而(ér)且每轉過90°就(jiù)會重複出(chū)現發光強度從最大(dà)逐漸減弱到(dào)最暗。繼續轉動P2則光強又從接近于(yú)零逐漸增強到(dào)最大(dà)。由此可知，通過P1的(de)透射光與原來(lái)的(de)入射光性質是(shì)有所不(bù)同的(de)，這(zhè)說(shuō)明經P1的(de)透射光的(de)振動對傳播方向不(bù)具有對稱性。圖3中偏振光通過旋轉的(de)檢偏器P2，光強發生變化，在(zài)P2平行于(yú)線偏振光方向時(shí)，光強最大(dà)；圖4中在(zài)P2垂直于(yú)線偏振光方向時(shí)，光強幾乎爲(wéi / wèi)零。

圖3 P2方向與線偏振光方向水平

圖4 P2方向與線偏振光方向垂直

将光的(de)偏振特性運用于(yú)機器視覺光源中，通過合理的(de)設計改變光源所發射光波的(de)振動方向，同時(shí)約束反射回相機的(de)光波的(de)振動方向，便可消除機器視覺中常見的(de)強反光現象。偏光光源由此産生。

2、偏振光源光路原理

2.1偏振片/偏振鏡

偏振片是(shì)用人(rén)工方法制成的(de)薄膜，是(shì)用特殊方法使選擇性吸收很強的(de)微粒晶體在(zài)透明膠層中作有規則排列而(ér)制成的(de)，它允許透過某一(yī / yì ／yí)矢量振動方向的(de)光（此方向稱爲(wéi / wèi)偏振化方向），而(ér)吸收與其垂直振動的(de)光，即具有二向色性. 因此自然光通過偏振片後，透射光基本上(shàng)成爲(wéi / wèi)平面偏振光。由于(yú)偏振片易于(yú)制作，所以(yǐ)它是(shì)普遍使用的(de)偏振器。通過調節兩個(gè)偏振片的(de)相對方向可以(yǐ)過濾掉某些強反光。

圖5 偏振片 （左），圖6 偏振鏡 （右）

2.2偏振光源的(de)光路原理

圖7 偏振光源光路原理

這(zhè)裏以(yǐ)透明包裝膜内的(de)工件檢測爲(wéi / wèi)例，闡述一(yī / yì ／yí)下偏光光源的(de)光路原理。如圖7所示，由光源發出(chū)的(de)光Ⅰ經過偏光片A得到(dào)如光Ⅱ的(de)線偏振光。光Ⅱ遇到(dào)包裝膜時(shí)部分會發生鏡面反射，即産生光Ⅲ，同時(shí)部分會透射至目标物表面并形成漫反射光Ⅳ。此時(shí)光Ⅳ經過目标物的(de)反射，振動方向發生變化，再透過玻璃面時(shí)偏光狀态仍然混亂，變成非偏振光。 在(zài)光Ⅲ和(hé / huò)光Ⅳ中，光Ⅳ可透過偏光片B，變爲(wéi / wèi)光Ⅴ（偏振光）并到(dào)達相機的(de)CCD，但隻含單方向偏光成分的(de)光Ⅲ會被偏光鏡B擋住而(ér)不(bù)通過，因此可去除玻璃或者透明膜上(shàng)的(de)鏡面反光，輕松提取目标物上(shàng)的(de)特征信息。

二、視覺行業典型應用

1、偏振光源

下圖展示了(le／liǎo)偏振光源的(de)典型系統組成，主要(yào / yāo)應用部件爲(wéi / wèi)常規光源、起偏器和(hé / huò)檢偏器。起偏器集成在(zài)光源前部，使得自然光轉換爲(wéi / wèi)線偏振光，經鏡面反射後透過鏡頭前的(de)檢偏器，保證二者正交角度即可阻擋簡單的(de)鏡面反光，有效去除（抑制）眩光發生。

a、藥片檢測

針對醫療行業中常見的(de)藥片漏裝、缺陷檢測，常常由于(yú)表面氣罩包的(de)存在(zài)導緻成像存在(zài)眩光（局部過曝），難以(yǐ)清晰地(dì / de)觀測内部藥片情況。此時(shí)可以(yǐ)通過偏振光源實現表面清晰成像，去除氣罩包鏡面反射導緻的(de)眩光等現象。

b、讀碼器

随着工業4.0的(de)高速發展，産品追溯已滲透至各行各業，追溯使用的(de)條碼标記也(yě)不(bù)僅僅局限于(yú)平面，而(ér)是(shì)更多地(dì / de)被标記于(yú)弧面、球面等反光表面，同時(shí)由于(yú)可能存在(zài)的(de)條碼外包裝高反等情況，對于(yú)讀碼器的(de)讀碼能力帶來(lái)了(le／liǎo)更高要(yào / yāo)求。

而(ér)針對成像反光等情況，很多讀碼器兼容偏振功能，通過配備半偏振/全偏振鏡頭罩，實現二維碼圖像的(de)清晰獲取。

c、AGV導航

常見AGV導航技術包含磁條導航、二維碼導航、紋理導航、激光導航及視覺導航等方式，利用不(bù)同的(de)信号反饋定位AGV實時(shí)位置以(yǐ)進行搬運作業。以(yǐ)二維碼導航及紋理導航爲(wéi / wèi)例，常常利用集成在(zài)AGV下方的(de)下視相機結合光源進行底面二維碼/紋理信息采集，通過識别/匹配算法實現AGV的(de)實時(shí)定位，具有定位精度高、穩定性好等優勢。

但考慮到(dào)二維碼材質、地(dì / de)面狀态（環氧地(dì / de)坪等），很容易造成反射燈珠成像、局部過曝等現象，常常采用偏振鏡頭罩解決，分别在(zài)光源前方進行起偏和(hé / huò)鏡頭前方檢偏，通過兩組偏振片的(de)過濾，消除鏡面反射效應。

2、偏振導航

天空光具有相對穩定的(de)偏振分布，以(yǐ)Rayleigh散射理論爲(wéi / wèi)基礎，基于(yú)斯托克矢量和(hé / huò)地(dì / de)平坐标系，就(jiù)可以(yǐ)建立簡單的(de)天空光偏振分布模型。因此在(zài)一(yī / yì ／yí)定時(shí)間、地(dì / de)點觀測天空，可以(yǐ)得到(dào)一(yī / yì ／yí)幅穩定的(de)光偏振分布圖，獲得探測目标的(de)偏振度、偏振方位角信息，實現載體航向信息的(de)獲取。

相較于(yú)傳統導航定位系統，成像式仿生偏振導航裝置外形更加小巧，重量更加輕便，光敏感性、集成度可以(yǐ)加優越，受外界環境幹擾更小。

3、偏振相機

許多視覺系統都試圖克服玻璃、塑料和(hé / huò)金屬等反光表面産生的(de)動态或多餘光線、反射、朦胧和(hé / huò)眩光影響。偏振相機提供四組偏振角分别爲(wéi / wèi) 90°、45°、135°和(hé / huò) 0°的(de)偏振圖像，以(yǐ)根據照明條件的(de)變化，以(yǐ)及相對運動和(hé / huò)方向做出(chū)補償，改善在(zài)挑戰性照明條件下的(de)圖像質量和(hé / huò)決策時(shí)間。

同時(shí)除了(le／liǎo)補獲常規的(de)亮度和(hé / huò)顔色信息外，還可以(yǐ)補獲正常圖像傳感器無法檢測到(dào)的(de)偏振信息，使得其能在(zài)能見度低、拍攝畫面困難情況下進行檢測，借助偏振度及偏振方向等偏振特性實現廣泛應用。