偏振技术在成像中的多种应用
发布时间:2020-03-25阅读次数: 来源:视展光电

       偏振是光能如何传播的一种特性。在偏振中,光的状态会反复改变;事实上,每当光被反射或通过某物时,其偏振状态会发生改变。在机器视觉领域众所周知的是,可以使用偏振技术来滤除发光表面的眩光。其实除了这项应用外,还有很多其他应用也是偏振技术能够胜任的。

炫光和反射

     图1显示了偏振镜的一种典型应用,其使用了一个偏振光源和放置在ku游体育ku下载前面的另一个偏振镜。

图1:偏振镜的典型应用,使用一个偏振光源和放置在ku游体育ku下载前面的另一个偏振镜

       任何镜面反射,如药片气罩包上的炫光(见图2)都可以通过偏振镜减少或消除,从而能更好地看到下面的药片。当然,对气罩包表面进行清晰成像(减少镜面反射或类镜面反射)这类应用,并不是偏振技术的唯一应用。

图2:使用图1中的偏振镜设置,可以减少或消除镜面反射,比如消除图中所示的药片气罩包上的炫光,从而能更容易地看到下面的药片

      图3显示了一个圆罐上的条码,圆罐的光亮表面使条码下的字母数字无法读取。使用正交偏振镜后,能很容易地读取这些字母数字,并且不会使图像的其余部分变暗。

图3:圆罐子上的条码图像。左侧图像中,条码下的打印号码不可读;右侧图像中,使用正交偏振镜后,打印号码清晰可见

       光的偏振度可以根据零件表面材料和入射角变化,以适应不同的应用。例如,图4显示了以直角照射由两个闪光金属表面形成的角反射器的光。如图所示,光线的二次反射引起图像旋转。如果入射光在-45°处偏振,则反射后,光在+45°处偏振。为了抑制镜面反射,第二个偏振镜需要与第一个平行。示例中的漫射光变为去偏振,因此可见。

图4:闪光零件上的二次反射(a)。平行偏振光图像抑制额外反射(b)

薄涂层、厚度变化、应变效应

      图5显示了金属表面上的一条透明胶带。左图显示的是低对比度的可见胶带,右图显示的是通过偏振使胶带更加突出。

图5:使用偏振光突出金属表面的胶带

     偏振技术也可以使边缘更加突出,如图6所示。左图中,几乎看不到透明塑料尺上的一条透明胶带的边缘在哪里。右图中,使用不同的偏振后,透明胶带的边缘明显可见。

图6:左图中,位于透明塑料尺上的透明胶带的边缘几乎不可见;右图中,由于边缘反射的漫射性质,偏振能使透明胶带的边缘格外突出

图7:偏振光使塑料盖中的应力线突显

       偏振效果也随着塑料上涂层或厚度的变化而变化(见图8)。在图8中,左图中尺子厚度的变化并不明显;但在右图中,只要偏振发生变化,应力线就会突然变化,表明尺子的机械完整性发生变化,或是在这种情况下,塑料的厚度发生了变化。

图8:左图显示了塑料尺中间的一条应力线;右图显示使用不同的偏振光后,由于厚度的变化,该应力线突然停止

坡度变化

      也许鲜为人知的是,偏振还可以帮助确定一个表面的坡度和倾斜度。使用偏振技术突出显示坡度需要图1所示的设置,设置中的最大区别是:当使用正交偏振镜阻挡简单的镜面反光时,最好保持偏振光源和ku游体育ku下载(镜头上装有偏振镜)彼此靠近,并且接近零件表面的法线。通过让光源和观察点靠近,光的偏振相对反射的变化相对较小,因此ku游体育ku下载上的偏振镜(分析器)可以通过与照明偏振镜正交来最有效地抑制影响成像效果的光。这种方法能有效地阻挡偏振的镜面反射光,并让漫射非偏振光通过。为了用偏振技术来突出斜面上的特征,从斜面表面反射的光必须在检测区域偏振。要做到这一点,需要明场照明来照亮整个表面。

图9:用一个较宽的漫射光源照亮图3中圆罐上的条码,在条形码上提供均匀明亮的反射

       在图9给出的案例中,使用一个较宽的漫射光源照亮了图3中圆罐上的条码,并没有使用偏振光源。这种明场照明方法通常用于有光泽的表面,目的是提供一个明亮的照明表面,用于查找缺陷、打印或其他表面特征;当有光泽的表面具有很多形状时(会导致很多亮区域和暗区域),这是一种常用的方法。没有有光泽的表面,反射光将无法保持偏振,也无法用于观察坡度的变化。常见的亮场照明工具包括漫射光源(如灯箱)、ku游体育ku下载前面的同轴漫射光源、漫射环形光源或光帐篷(有时称为阴天照明器)。图10中显示了使用灯箱照明的亮场照明图。光照方向(灯箱)和分析仪方向(ku游体育ku下载)之间的角度差越大,光的偏振状态相对于反射的变化就越大——这是椭球仪等先进仪器用于分析薄膜涂层的一种技术。

图10:使用亮场配置完全照亮裸金属表面,反射光的偏振度随表面坡度的变化而变化

      大角度反射与图4中的二次反射不同,其中偏振旋转90°并保持线偏振,这是因为后向反射充当法向入射反射。图10表示单一反射,光源和ku游体育ku下载相对于零件的位置,应该使整个表面看起来明亮。初始线偏振光变为椭圆偏振光,偏振随光入射和出射入射平面的角度而变化。通过旋转ku游体育ku下载前面的偏振镜,可以看到这种偏振的变化。

图11:从左到右,依次是从平行偏振到正交偏振,偏振角的变化突出了坡度的变化,照明角度没有变化

      图11显示了在一个略微弯曲的裸金属板零件上,观察到的光的几种不同偏振状态。左起第一张图:可以看到整个零件的光照水平几乎没有变化;第二张图:将ku游体育ku下载上看到的偏振改变约45°,图像从顶部到底部都发生变化,但从顶部到中间的变化不大;第三张图:进一步改变在ku游体育ku下载中看到的偏振,显示出中间部分有一个非常明显的斜坡;第四张图:将零件反转,图像中的明暗也跟着反转,因为坡度是反向的。在这些图像中,除了ku游体育ku下载看到的偏振变化外,没有其他变化。

总结

      偏振为机器视觉照明系统提供了额外的、有时甚至是独特的能力。与任何照明一样,偏振并不能解决所有问题,但是对于多次反射、镜面反射、薄涂层或厚度变化、应变效应或是很难察觉细微坡度变化等应用,偏振可以说是机器视觉照明工具箱中的一件利器。

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