偏振成像的基本原理(lǐ)和优点

通过空间校正，線(xiàn)扫描偏振相机可(kě)以探测到双折射、应力、表面粗糙度以及常规成像无法检测到的物(wù)理(lǐ)特性。

光有(yǒu)三个基本特性：强度、波長(cháng)和偏振。今天几乎所有(yǒu)的相机都是為(wèi)单色或彩色成像而设计的。单色相机用(yòng)于测量在像素级宽带光谱上的光强，而彩色或多(duō)光谱相机则用(yòng)于检测红、绿、蓝和近红外波段的光强。同样，偏振照相机用(yòng)于在多(duō)偏振状态下捕捉光的强度。

根据 AIA公司的一项市场调查，机器视觉全球市场在2015年达到7.6亿美元，其中80%来自单色相机，20%来自彩色相机。虽然偏振片是机器视觉中常用(yòng)的一种，但到目前為(wèi)止还没有(yǒu)線(xiàn)扫描偏振相机用(yòng)于捕捉多(duō)偏振状态的图像。

偏振提供了许多(duō)好处，它不仅检测几何和表面，而且测量无法用(yòng)常规成像检测的物(wù)理(lǐ)性质。在机器视觉中，它可(kě)以用(yòng)来增强难以區(qū)分(fēn)的物(wù)體(tǐ)的对比度。与相位检测技术相结合，偏振成像的成像灵敏感比传统成像方法高得多(duō)。

偏振滤波技术

就像人类的眼睛一样，硅不能(néng)决定光的偏振。因此，在图像传感器前面需要一个偏振滤波器。图像传感器用(yòng)滤波器定义的偏振状态来检测光的强度。

大多(duō)数常见的偏振滤波器可(kě)分(fēn)為(wèi)三种类型：时间分(fēn)割、振幅分(fēn)割或焦平面分(fēn)割。在时间分(fēn)割的偏振测量中，随着偏振元件(如液晶、偏振片或光弹性调制器)的旋转或调制，数据是按时间顺序获得的，其速度受到调制器的限制。在今天的许多(duō)应用(yòng)中，通常需要100 kHz左右的高線(xiàn)速；时间分(fēn)割滤波器有(yǒu)其固有(yǒu)的局限性，而且由于设计复杂，成本也很(hěn)高。

对于振幅分(fēn)割的滤波器而言，光被分(fēn)成不同的光路，其中每个光路都有(yǒu)一个独立的传感器。棱镜是最常用(yòng)的部件，但是通常很(hěn)难实现很(hěn)高的装配精度，而且，通常还需要较大的空间用(yòng)来安装棱镜。

对于焦平面分(fēn)割滤光器，在焦平面上放置一个微偏振片阵列来定义不同的偏振态。该技术适用(yòng)于紧凑、稳定、低成本的设计。然而，对于區(qū)域扫描成像仪来说，由于每个像素只提供一个自然偏振状态的数据，因此在空间分(fēn)辨率上存在固有(yǒu)的缺点。这种算法被用(yòng)来对其他(tā)算法进行插值。

传感器體(tǐ)系结构

一个可(kě)用(yòng)的偏振相机包含一个具有(yǒu)四線(xiàn)架构的CMOS传感器。由纳米線(xiàn)组成的微偏振器阵列被放置在硅上，纳米線(xiàn)的螺距為(wèi)140nm，宽度為(wèi)70nm，而在前三个線(xiàn)性阵列上，偏振滤光片的取向分(fēn)别為(wèi)0°、90°和135°。过滤光的强度由底层的阵列记录。第四个通道是一个未经滤波的阵列，它捕获的总强度相当于一幅传统图像，而有(yǒu)源阵列之间的间隙减少了空间串扰。

光是電(diàn)磁波。它的電(diàn)场、磁场和传播方向是正交的。偏振方向被定义為(wèi)電(diàn)场方向。電(diàn)场方向垂直于纳米線(xiàn)振荡方向的光将会穿过滤光片，而平行于纳米線(xiàn)振荡方向的光将会被滤除。当線(xiàn)扫描相机用(yòng)反射结构与腹板成一定角度安装时，0°通道传输s偏振光(偏振方向垂直于入射平面)，而90°通道传输p偏振光(偏振方向平行于入射平面)。假设相机的输出i0，i90，i135，和iUF分(fēn)别从0°、90°、135°偏振和未滤波通道输出，则s偏振态和p偏振态的强度分(fēn)别為(wèi)：

使用(yòng)微偏振器滤镜的線(xiàn)扫描和面扫描之间的关键區(qū)别是每个像素的原始偏振状态数据的数量。區(qū)域扫描成像仪通常使用(yòng)以所谓的超像素格式排列的0°，45°，90°和135°偏振滤光片，其中每个像素捕获一个原始偏振态。然后使用(yòng)插值算法根据来自相邻像素的信息计算另外三个状态。由于空间分(fēn)辨率的损失，导致数据精度不高。另一方面，对于線(xiàn)扫描相机，每个偏振态都有(yǒu)100%的采样。物(wù)理(lǐ)测量了多(duō)个自然偏振态数据。纳米線(xiàn)微偏振器滤光片的对比度如图2所示。

根据波長(cháng)的不同，对比度在30~90之间。在未来的设计中可(kě)以实现更高的对比度。

Stokes参数，S0，S1，S2等通常被用(yòng)来分(fēn)析材料的物(wù)理(lǐ)性质。差分(fēn)偏振、線(xiàn)性偏振度(DoLP)和偏振角(AOP)都是有(yǒu)用(yòng)的参数。

图像可(kě)视化

偏振图像与基于强度的传统图像基本不相关。在视觉系统中，可(kě)以在每个特定的偏振状态或其组合中实现数据处理(lǐ)。考虑到人类无法看到偏振图像，所以这是很(hěn)有(yǒu)用(yòng)的。彩色编码的偏振图像可(kě)能(néng)是最受欢迎的一种，因為(wèi)它们不仅可(kě)以提供视觉感知，而且可(kě)以在彩色成像中利用(yòng)标准的数据结构和传输协议。

图3显示了由偏振相机捕获的塑料标尺的彩色编码偏振图像，其中RGB分(fēn)别代表0°(s-偏振)、90°(p-偏振)和135°偏振状态。还比较了由未滤波信道捕获的常规图像。显然，偏振成像显示的是塑料尺内部积累的应力，这是常规成像无法检测到的。

可(kě)探测性

随着检测要求的線(xiàn)速达到100 kHz左右和物(wù)體(tǐ)分(fēn)辨率缩小(xiǎo)到亚微米，机器视觉行业在可(kě)检测性方面面临着许多(duō)挑战。不同的技术被陆续开发，如时间延迟积分(fēn)，以提高信噪比，以及彩色和多(duō)光谱成像，以获得光谱特性。然而，基于材料物(wù)理(lǐ)特性的检测，则需要更高的对比度。偏振在这里起着关键的作用(yòng)，因為(wèi)它对表面或界面上的任何变化都非常敏感。由于相位检测技术，基于偏振的成像比基于强度的成像更加灵敏。

透射结构通常用(yòng)于透明材料，如玻璃和薄膜。通常偏振器被用(yòng)来将光源转换成線(xiàn)偏振光。当線(xiàn)偏振光穿过物(wù)體(tǐ)时，由于物(wù)體(tǐ)的双折射，通常会发生椭圆偏振。可(kě)选补偿器(如λ/4板)也可(kě)用(yòng)于光路中。最后由偏振相机拍摄图像。偏振器和补偿器的角度可(kě)以调整，以达到最佳的性能(néng)。反射结构(图5)用(yòng)于不透明材料。来自半导體(tǐ)和金属等许多(duō)材料的反射光与偏振有(yǒu)关。

偏振器将光源转换為(wèi)線(xiàn)偏振光。当線(xiàn)性偏振光从物(wù)體(tǐ)反射出来时，反射光一般会变成椭圆偏振光。通过旋转偏振片和补偿器的角度，可(kě)以获得到达摄像机的線(xiàn)偏振光。它的结构类似于椭圆仪。不同的是，相机不是使用(yòng)旋转分(fēn)析仪，而是同时捕获不同的偏振态，具有(yǒu)横向空间分(fēn)辨率。光是線(xiàn)状光源，而不是点光源。

例如，在任何一种结构中，当对象的物(wù)理(lǐ)属性因缺陷而发生变化时，该变化改变的偏振状态与对象的其他(tā)状态不同。然后由高灵敏度的偏振相机检测这一变化。

机械力导致双折射，这会改变透射光的偏振状态，就像在一副玻璃上引起应力的螺钉中所看到的那样。从未经过滤的通道中可(kě)以看到，常规成像无法检测到这种应力。

注意表面上有(yǒu)划痕的電(diàn)子線(xiàn)路图像。在偏振图像中，由于对比度增强，表面缺陷更加明显。

線(xiàn)扫描偏振成像结合了椭圆偏振仪的强大功能(néng)和真正的横向分(fēn)辨率。椭圆偏振技术是20世纪70年代发展起来的一种非常灵敏的光學(xué)技术，其垂直分(fēn)辨率仅為(wèi)纳米的几分(fēn)之一。它被广泛应用(yòng)于测定材料的物(wù)理(lǐ)性质，如薄膜厚度、材料组成、表面形貌、光學(xué)常数、甚至晶體(tǐ)无序性。后来发展起来的成像椭圆仪增加了一定程度的横向分(fēn)辨率。然而，由于使用(yòng)的是点光源，它的视场很(hěn)小(xiǎo)(微米-毫米)，因此只适用(yòng)于显微镜。采用(yòng)線(xiàn)性传感器和線(xiàn)性光源的線(xiàn)扫描偏振成像克服了这一限制。

布鲁斯特角成像

椭圆仪的入射角一般选择接近布鲁斯特角

其中n是物(wù)體(tǐ)的折射率，与波長(cháng)有(yǒu)关。对于玻璃，n≈1.52和θB≈56°，硅，n≈3.44和θB≈74°，波長(cháng)為(wèi)633 nm。

在布鲁斯特角处，p偏振光的反射最小(xiǎo)，s-偏振态和p-偏振态反射率的差异最大，这给出了最高的灵敏度。当非偏振光在布鲁斯特角下入射，相机安装在镜面角度时，p通道捕获暗信号，而s通道仍然从反射中捕获正常信号。如果完全的p偏振光是在布鲁斯特角下入射的，安装在同一角度上的照相机会捕捉到一个黑暗的背景。表面上任何因缺陷或杂质等而产生的偏差，都会导致區(qū)域明亮。然后可(kě)以获得高对比度的图像。但是行扫描的一个挑战是，当视场比传感器的長(cháng)度大得多(duō)时，就无法满足这种情况了。

总之，線(xiàn)扫描偏振成像结合了高灵敏度的偏振相位检测和真正的横向分(fēn)辨率，為(wèi)下一代视觉系统提供了在许多(duō)需要的应用(yòng)中的可(kě)检测性。

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