在日常生活中，經(jīng)常會遇到各種“反光”現(xiàn)象，使得我們在觀察事物或攝影時有一定的障礙。比如：觀賞水中的動植物時，水面上常常會有一道道光斑影響視線；陽光充足的柏油路面上，時常會有耀眼的強光射入司機的眼睛……相應地，在機器視覺中，我們也會經(jīng)常遇到類似的情況：由于工件表面上的噴漆、鍍膜、玻璃、包裝膜或其它反光材質的影響，工業(yè)相機無法順利采集到高質量的圖像。因圖像的對比度較低或者關鍵特征無法完整呈現(xiàn)，經(jīng)常會導致機器視覺系統(tǒng)中誤檢、誤判、精度低、不穩(wěn)定等現(xiàn)象的發(fā)生，甚至是輸出錯誤的數(shù)據(jù)。然而，這些問題我們是可以利用光的偏振特性得以解決的。

一、偏振基礎原理

1. 偏振光介紹

偏振是指橫波的振動矢量（垂直于波的傳播方向）偏于某些方向的現(xiàn)象，光的偏振現(xiàn)象是由法國工程師馬呂斯于1808年發(fā)現(xiàn)的。眾所周知，自然光是一種電磁波，屬于橫波，其在垂直于傳播方向的平面內包含著一切可能方向的振動，且平均而言在任一方向上都具有相同的振幅，即振動方向是對稱的，如圖1所示。然而，當光的振動方向對于傳播方向不對稱性時，便成了偏振光。偏振現(xiàn)象橫波區(qū)別于其他縱波的一個最明顯的標志。

偏振光按其性質可分為平面偏振光（或線偏振光），圓偏振光，橢圓偏振光和部分偏正光。例如，自然光在傳播過程中經(jīng)過某種介質（偏振片）后，只有一個固定振動方向的光能夠通過這個介質，就得到了線偏振光。線偏振光的振動方向是確定的，如圖2所示。

為了更好地理解光的偏振現(xiàn)象，我們可以借助實驗裝置進行生動地闡述。在圖3、圖4中，P1（起偏器）、P2（檢偏器）是兩塊同樣的偏振片。在圖3中，自然光（如燈光或陽光）通過偏振片P1后，形成了偏振光。但由于人的眼睛沒有辨別偏振光的能力，故無法察覺。

如果我們把偏振片P1的方位固定，而把偏振片P2緩慢地轉動，就可發(fā)現(xiàn)透射光的強度隨著P2轉動而出現(xiàn)周期性的變化，而且每轉過90°就會重復出現(xiàn)發(fā)光強度從最大逐漸減弱到最暗。繼續(xù)轉動P2則光強又從接近于零逐漸增強到最大。由此可知，通過P1的透射光與原來的入射光性質是有所不同的，這說明經(jīng)P1的透射光的振動對傳播方向不具有對稱性。圖3中偏振光通過旋轉的檢偏器P2，光強發(fā)生變化，在P2平行于線偏振光方向時，光強最大；圖4中在P2垂直于線偏振光方向時，光強幾乎為零。

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

將光的偏振特性運用于機器視覺光源中，通過合理的設計改變光源所發(fā)射光波的振動方向，同時約束反射回相機的光波的振動方向，便可消除機器視覺中常見的強反光現(xiàn)象。偏光光源由此產(chǎn)生。

2、偏振光源光路原理

2.1偏振片/偏振鏡

偏振片是用人工方法制成的薄膜，是用特殊方法使選擇性吸收很強的微粒晶體在透明膠層中作有規(guī)則排列而制成的，它允許透過某一矢量振動方向的光（此方向稱為偏振化方向），而吸收與其垂直振動的光，即具有二向色性. 因此自然光通過偏振片后，透射光基本上成為平面偏振光。由于偏振片易于制作，所以它是普遍使用的偏振器。通過調節(jié)兩個偏振片的相對方向可以過濾掉某些強反光。

圖5 偏振片 （左），圖6 偏振鏡 （右）

2.2偏振光源的光路原理

圖7 偏振光源光路原理

這里以透明包裝膜內的工件檢測為例，闡述一下偏光光源的光路原理。如圖7所示，由光源發(fā)出的光Ⅰ經(jīng)過偏光片A得到如光Ⅱ的線偏振光。光Ⅱ遇到包裝膜時部分會發(fā)生鏡面反射，即產(chǎn)生光Ⅲ，同時部分會透射至目標物表面并形成漫反射光Ⅳ。此時光Ⅳ經(jīng)過目標物的反射，振動方向發(fā)生變化，再透過玻璃面時偏光狀態(tài)仍然混亂，變成非偏振光。 在光Ⅲ和光Ⅳ中，光Ⅳ可透過偏光片B，變?yōu)楣猗酰ㄆ窆猓┎⒌竭_相機的CCD，但只含單方向偏光成分的光Ⅲ會被偏光鏡B擋住而不通過，因此可去除玻璃或者透明膜上的鏡面反光，輕松提取目標物上的特征信息。

二、視覺行業(yè)典型應用

1、偏振光源

下圖展示了偏振光源的典型系統(tǒng)組成，主要應用部件為常規(guī)光源、起偏器和檢偏器。起偏器集成在光源前部，使得自然光轉換為線偏振光，經(jīng)鏡面反射后透過鏡頭前的檢偏器，保證二者正交角度即可阻擋簡單的鏡面反光，有效去除（抑制）眩光發(fā)生。

a、藥片檢測

針對醫(yī)療行業(yè)中常見的藥片漏裝、缺陷檢測，常常由于表面氣罩包的存在導致成像存在眩光（局部過曝），難以清晰地觀測內部藥片情況。此時可以通過偏振光源實現(xiàn)表面清晰成像，去除氣罩包鏡面反射導致的眩光等現(xiàn)象。

b、讀碼器

隨著工業(yè)4.0的高速發(fā)展，產(chǎn)品追溯已滲透至各行各業(yè)，追溯使用的條碼標記也不僅僅局限于平面，而是更多地被標記于弧面、球面等反光表面，同時由于可能存在的條碼外包裝高反等情況，對于讀碼器的讀碼能力帶來了更高要求。

而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(xiàn)二維碼圖像的清晰獲取。

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，利用不同的信號反饋定位AGV實時位置以進行搬運作業(yè)。以二維碼導航及紋理導航為例，常常利用集成在AGV下方的下視相機結合光源進行底面二維碼/紋理信息采集，通過識別/匹配算法實現(xiàn)AGV的實時定位，具有定位精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。

但考慮到二維碼材質、地面狀態(tài)（環(huán)氧地坪等），很容易造成反射燈珠成像、局部過曝等現(xiàn)象，常常采用偏振鏡頭罩解決，分別在光源前方進行起偏和鏡頭前方檢偏，通過兩組偏振片的過濾，消除鏡面反射效應。

2、偏振導航

天空光具有相對穩(wěn)定的偏振分布，以Rayleigh散射理論為基礎，基于斯托克矢量和地平坐標系，就可以建立簡單的天空光偏振分布模型。因此在一定時間、地點觀測天空，可以得到一幅穩(wěn)定的光偏振分布圖，獲得探測目標的偏振度、偏振方位角信息，實現(xiàn)載體航向信息的獲取。

相較于傳統(tǒng)導航定位系統(tǒng)，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、集成度可以加優(yōu)越，受外界環(huán)境干擾更小。

3、偏振相機

許多視覺系統(tǒng)都試圖克服玻璃、塑料和金屬等反光表面產(chǎn)生的動態(tài)或多余光線、反射、朦朧和眩光影響。偏振相機提供四組偏振角分別為 90°、45°、135°和 0°的偏振圖像，以根據(jù)照明條件的變化，以及相對運動和方向做出補償，改善在挑戰(zhàn)性照明條件下的圖像質量和決策時間。

同時除了補獲常規(guī)的亮度和顏色信息外，還可以補獲正常圖像傳感器無法檢測到的偏振信息，使得其能在能見度低、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(xiàn)廣泛應用。