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偏振是光能如何傳播的一種特性。在偏振中,光的狀態(tài)會(huì)反復(fù)改變;事實(shí)上,每當(dāng)光被反射或通過某物時(shí),其偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。
在機(jī)器視覺領(lǐng)域眾所周知的是,可以使用偏振技術(shù)來濾除發(fā)光表面的眩光。其實(shí)除了這項(xiàng)應(yīng)用外,還有很多其他應(yīng)用也是偏振技術(shù)能夠勝任的。
炫光和反射
圖1顯示了偏振鏡的一種典型應(yīng)用,其使用了一個(gè)偏振光源和放置在相機(jī)前面的另一個(gè)偏振鏡。
圖1:偏振鏡的典型應(yīng)用,使用一個(gè)偏振光源和放置在相機(jī)前面的另一個(gè)偏振鏡
任何鏡面反射,如藥片氣罩包上的炫光(見圖2)都可以通過偏振鏡減少或消除,從而能更好地看到下面的藥片。當(dāng)然,對氣罩包表面進(jìn)行清晰成像(減少鏡面反射或類鏡面反射)這類應(yīng)用,并不是偏振技術(shù)的唯一應(yīng)用。
圖2:使用圖1中的偏振鏡設(shè)置,可以減少或消除鏡面反射,比如消除圖中所示的藥片氣罩包上的炫光,從而能更容易地看到下面的藥片
圖3顯示了一個(gè)圓罐上的條碼,圓罐的光亮表面使條碼下的字母數(shù)字無法讀取。使用正交偏振鏡后,能很容易地讀取這些字母數(shù)字,并且不會(huì)使圖像的其余部分變暗。
圖3:圓罐子上的條碼圖像。左側(cè)圖像中,條碼下的打印號(hào)碼不可讀;右側(cè)圖像中,使用正交偏振鏡后,打印號(hào)碼清晰可見
光的偏振度可以根據(jù)零件表面材料和入射角變化,以適應(yīng)不同的應(yīng)用。例如,圖4顯示了以直角照射由兩個(gè)閃光金屬表面形成的角反射器的光。如圖所示,光線的二次反射引起圖像旋轉(zhuǎn)。如果入射光在-45°處偏振,則反射后,光在+45°處偏振。為了抑制鏡面反射,第二個(gè)偏振鏡需要與第一個(gè)平行。示例中的漫射光變?yōu)槿テ?,因此可見?/span>
圖4:閃光零件上的二次反射(a)。平行偏振光圖像抑制額外反射(b)
薄涂層、厚度變化、應(yīng)變效應(yīng)
圖5顯示了金屬表面上的一條透明膠帶。左圖顯示的是低對比度的可見膠帶,右圖顯示的是通過偏振使膠帶更加突出。
圖5:使用偏振光突出金屬表面的膠帶
偏振技術(shù)也可以使邊緣更加突出,如圖6所示。左圖中,幾乎看不到透明塑料尺上的一條透明膠帶的邊緣在哪里。右圖中,使用不同的偏振后,透明膠帶的邊緣明顯可見。
圖6:左圖中,位于透明塑料尺上的透明膠帶的邊緣幾乎不可見;右圖中,由于邊緣反射的漫射性質(zhì),偏振能使透明膠帶的邊緣格外突出
塑料零件(如圖7中的蓋子)通常包含可以通過偏振顯示的應(yīng)力,這有助于識(shí)別容器的潛在破裂。
圖7:偏振光使塑料蓋中的應(yīng)力線突顯
偏振效果也隨著塑料上涂層或厚度的變化而變化(見圖8)。在圖8中,左圖中尺子厚度的變化并不明顯;但在右圖中,只要偏振發(fā)生變化,應(yīng)力線就會(huì)突然變化,表明尺子的機(jī)械完整性發(fā)生變化,或是在這種情況下,塑料的厚度發(fā)生了變化。
圖8:左圖顯示了塑料尺中間的一條應(yīng)力線;右圖顯示使用不同的偏振光后,由于厚度的變化,該應(yīng)力線突然停止
坡度變化
也許鮮為人知的是,偏振還可以幫助確定一個(gè)表面的坡度和傾斜度。使用偏振技術(shù)突出顯示坡度需要圖1所示的設(shè)置,設(shè)置中的最大區(qū)別是:當(dāng)使用正交偏振鏡阻擋簡單的鏡面反光時(shí),最好保持偏振光源和相機(jī)(鏡頭上裝有偏振鏡)彼此靠近,并且接近零件表面的法線。通過讓光源和觀察點(diǎn)靠近,光的偏振相對反射的變化相對較小,因此相機(jī)上的偏振鏡(分析器)可以通過與照明偏振鏡正交來最有效地抑制影響成像效果的光。這種方法能有效地阻擋偏振的鏡面反射光,并讓漫射非偏振光通過。
為了用偏振技術(shù)來突出斜面上的特征,從斜面表面反射的光必須在檢測區(qū)域偏振。要做到這一點(diǎn),需要明場照明來照亮整個(gè)表面。
圖9:用一個(gè)較寬的漫射光源照亮圖3中圓罐上的條碼,在條形碼上提供均勻明亮的反射
在圖9給出的案例中,使用一個(gè)較寬的漫射光源照亮了圖3中圓罐上的條碼,并沒有使用偏振光源。這種明場照明方法通常用于有光澤的表面,目的是提供一個(gè)明亮的照明表面,用于查找缺陷、打印或其他表面特征;當(dāng)有光澤的表面具有很多形狀時(shí)(會(huì)導(dǎo)致很多亮區(qū)域和暗區(qū)域),這是一種常用的方法。沒有有光澤的表面,反射光將無法保持偏振,也無法用于觀察坡度的變化。
常見的亮場照明工具包括漫射光源(如燈箱)、相機(jī)前面的同軸漫射光源、漫射環(huán)形光源或光帳篷(有時(shí)稱為陰天照明器)。
圖10中顯示了使用燈箱照明的亮場照明圖。光照方向(燈箱)和分析儀方向(相機(jī))之間的角度差越大,光的偏振狀態(tài)相對于反射的變化就越大——這是橢球儀等先進(jìn)儀器用于分析薄膜涂層的一種技術(shù)。
圖10:使用亮場配置完全照亮裸金屬表面,反射光的偏振度隨表面坡度的變化而變化
大角度反射與圖4中的二次反射不同,其中偏振旋轉(zhuǎn)90°并保持線偏振,這是因?yàn)楹笙蚍瓷涑洚?dāng)法向入射反射。圖10表示單一反射,光源和相機(jī)相對于零件的位置,應(yīng)該使整個(gè)表面看起來明亮。初始線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光,偏振隨光入射和出射入射平面的角度而變化。通過旋轉(zhuǎn)相機(jī)前面的偏振鏡,可以看到這種偏振的變化。
圖11:從左到右,依次是從平行偏振到正交偏振,偏振角的變化突出了坡度的變化,照明角度沒有變化
圖11顯示了在一個(gè)略微彎曲的裸金屬板零件上,觀察到的光的幾種不同偏振狀態(tài)。左起第一張圖:可以看到整個(gè)零件的光照水平幾乎沒有變化;第二張圖:將相機(jī)上看到的偏振改變約45°,圖像從頂部到底部都發(fā)生變化,但從頂部到中間的變化不大;第三張圖:進(jìn)一步改變在相機(jī)中看到的偏振,顯示出中間部分有一個(gè)非常明顯的斜坡;第四張圖:將零件反轉(zhuǎn),圖像中的明暗也跟著反轉(zhuǎn),因?yàn)槠露仁欠聪虻?。在這些圖像中,除了相機(jī)看到的偏振變化外,沒有其他變化。
總結(jié)
偏振為機(jī)器視覺照明系統(tǒng)提供了額外的、有時(shí)甚至是獨(dú)特的能力。與任何照明一樣,偏振并不能解決所有問題,但是對于多次反射、鏡面反射、薄涂層或厚度變化、應(yīng)變效應(yīng)或是很難察覺細(xì)微坡度變化等應(yīng)用,偏振可以說是機(jī)器視覺照明工具箱中的一件利器。