光的偏振及其在視覺(jué)中的應(yīng)用

在許多工業(yè)應(yīng)用中，由于低對(duì)比度或高反射成像條件，視覺(jué)檢測(cè)具有很大的挑戰(zhàn)性，偏振相機(jī)可以幫助發(fā)現(xiàn)隱藏的材料特性，并提供比標(biāo)準(zhǔn)彩色和單色相機(jī)更高的視覺(jué)清晰度。

可以利用偏振相機(jī)過(guò)濾掉不需要的反射或眩光，并通過(guò)對(duì)偏振光角度著色來(lái)增強(qiáng)對(duì)比度，產(chǎn)品中使用的不同材料可以反射和改變光的特性。普通彩色和單色傳感器可檢測(cè)入射光的強(qiáng)度和波長(zhǎng)，而偏振相機(jī)內(nèi)部使用的特殊偏振傳感器可以檢測(cè)和過(guò)濾反射、折射或散射表面的光的偏振角度。

什么是偏振？

偏振片的偏振

偏振是光的基本屬性，描述了光的電場(chǎng)振蕩的方向。大多數(shù)光源，如太陽(yáng)，發(fā)出的是非偏振光。非偏振光在垂直于行進(jìn)方向的隨機(jī)方向上具有振動(dòng)。對(duì)于要偏振的光，隨機(jī)定向振動(dòng)被移除或轉(zhuǎn)換為線(xiàn)性，圓形或橢圓形電磁波。

偏振片是一種光學(xué)濾光片，它允許特定方向的光波通過(guò)，同時(shí)阻擋其他方向的光波。它可以將未定義或混合偏振的光束過(guò)濾成一束明確定義的偏振光束，即偏振光。常見(jiàn)的偏振片類(lèi)型是線(xiàn)性偏振片和圓偏振片。

反射偏振

非偏振光可以通過(guò)非金屬表面的表面反射進(jìn)行偏振。金屬表面反射入射光的偏振，無(wú)論是偏振的還是非偏振的，并且不會(huì)顯著偏振。其他材料，如玻璃、塑料和水的半透明表面，將一定量的光反射并偏振回環(huán)境中。

由于具有平行于入射平面的電場(chǎng)的光的反射系數(shù)在0°和90°之間的某個(gè)角度處為零，因此該角度的反射光是線(xiàn)性偏振的，其電場(chǎng)矢量垂直于入射平面并平行于其反射的表面的平面。發(fā)生這種情況的角度稱(chēng)為偏振角或布魯斯特角。在其他角度，反射光被部分偏振。

折射偏振

偏振也可以通過(guò)光的折射發(fā)生。當(dāng)光束從一種材料進(jìn)入另一種材料時(shí)，就會(huì)發(fā)生折射。在兩種材料的表面，光束的路徑改變其方向。折射光束獲得一定程度的偏振。大多數(shù)情況下，偏振發(fā)生在垂直于表面的平面上。

冰島石（Iceland Spar）是一種相當(dāng)罕見(jiàn)的礦物方解石形式，它將入射光折射成兩條不同的路徑。光線(xiàn)在進(jìn)入晶體時(shí)被分成兩束。隨后，如果通過(guò)冰島Spar晶體觀察物體，將看到兩個(gè)圖像。這兩個(gè)圖像是光的雙重折射的結(jié)果。兩種折射光束都是偏振的，一個(gè)在平行于表面的方向上，另一個(gè)在垂直于表面的方向上。由于這兩條折射光線(xiàn)以垂直方向偏振，因此可以使用偏振濾光片完全阻擋其中一幅圖像。如果濾光片的偏振軸垂直于偏振光的平面對(duì)齊，則光被濾光片完全阻擋；同時(shí)，第二幅圖像盡可能明亮。如果濾鏡在任一方向上旋轉(zhuǎn)90度，則第二個(gè)圖像將重新出現(xiàn)，第一個(gè)圖像將消失。

偏振的應(yīng)用

偏振的應(yīng)用長(zhǎng)期以來(lái)一直用于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)，以檢測(cè)應(yīng)力，檢測(cè)物體并減少透明物體的眩光。典型的設(shè)置需要在目標(biāo)物體、光源和相機(jī)之間安裝一個(gè)或多個(gè)外部偏振片板。各種設(shè)置可用于測(cè)量材料應(yīng)力，增強(qiáng)對(duì)比度以及分析表面質(zhì)量的凹痕或劃痕。

應(yīng)力檢測(cè)

當(dāng)偏振光穿過(guò)透明材料時(shí)，偏振光的入射角度將通過(guò)物體中的不同應(yīng)力區(qū)域轉(zhuǎn)換為不同的角度。通過(guò)將顏色分配給特定的偏振角度，可以可視化缺陷和應(yīng)力區(qū)域。

減少反射

物體會(huì)反射光線(xiàn)，使表面檢測(cè)變得困難。食品和包裝檢測(cè)應(yīng)用可以通過(guò)減少反射和眩光來(lái)減少偏振片的使用。

提高對(duì)比度

在低光照條件下，可以通過(guò)檢測(cè)物體偏振的角度來(lái)改善對(duì)比度。上面的例子展示了如何在低光下通過(guò)常規(guī)成像來(lái)改善對(duì)比度。

劃痕檢測(cè)

與應(yīng)力檢測(cè)類(lèi)似，使用傳統(tǒng)成像很難識(shí)別某些缺陷和劃痕。為了幫助識(shí)別表面缺陷，偏振成像可用于檢測(cè)透明材料上的劃痕。

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