偏振成像的基本原理和優點

通過空間校正，線掃描偏振相機可以探測到雙折射、應力、表面粗糙度以及常規成像無法檢測到的物理特性。

光有三個基本特性：強度、波長和偏振.今天幾乎所有的相機都是為單色或彩色成像而設計的。單色相機用于測量在像素級寬帶光譜上的光強，而彩色或多光譜相機則用于檢測紅、綠、藍和近紅外波段的光強。同樣，偏振照相機用于在多偏振狀態下捕捉光的強度。

根據 AIA公司的一項市場調查，機器視覺全球市場在2015年達到7.6億美元，其中80%來自單色相機，20%來自彩色相機。雖然偏振片是機器視覺中常用的一種，但到目前為止還沒有線掃描偏振相機用于捕捉多偏振狀態的圖像。

偏振提供了許多好處，它不僅檢測幾何和表面，而且測量無法用常規成像檢測的物理性質。在機器視覺中，它可以用來增強難以區分的物體的對比度。與相位檢測技術相結合，偏振成像的成像靈敏感比傳統成像方法高得多。

偏振濾波技術

就像人類的眼睛一樣，硅不能決定光的偏振。因此，在圖像傳感器前面需要一個偏振濾波器。圖像傳感器用濾波器定義的偏振狀態來檢測光的強度。

大多數常見的偏振濾波器可分為三種類型：時間分割、振幅分割或焦平面分割(表1)。在時間分割的偏振測量中，隨著偏振元件(如液晶、偏振片或光彈性調制器)的旋轉或調制，數據是按時間順序獲得的，其速度受到調制器的限制。在今天的許多應用中，通常需要100 kHz左右的高線速；時間分割濾波器有其固有的局限性，而且由于設計復雜，成本也很高。

表1

對于振幅分割的濾波器而言，光被分成不同的光路，其中每個光路都有一個獨立的傳感器。棱鏡是最常用的部件，但是通常很難實現很高的裝配精度，而且，通常還需要較大的空間用來安裝棱鏡。

對于焦平面分割濾光器，在焦平面上放置一個微偏振片陣列來定義不同的偏振態。該技術適用于緊湊、穩定、低成本的設計。然而，對于區域掃描成像儀來說，由于每個像素只提供一個自然偏振狀態的數據，因此在空間分辨率上存在固有的缺點。這種算法被用來對其他算法進行插值。

傳感器體系結構

一個可用的偏振相機(圖1)包含一個具有四線架構的CMOS傳感器。由納米線組成的微偏振器陣列被放置在硅上，納米線的螺距為140nm，寬度為70nm，而在前三個線性陣列上，偏振濾光片的取向分別為0°、135°和90°。過濾光的強度由底層的陣列記錄。第四個通道是一個未經濾波的陣列，它捕獲的總強度相當于一幅傳統圖像，而有源陣列之間的間隙減少了空間串擾。

圖1.偏振相機原理圖是傳感器結構。將納米線微偏振器濾光片置于硅(Si)上，在前三個線陣上分別定義0°(S)、135°和90°(P)偏振態。第四個數組是一個未經過濾的通道，它記錄傳統的未經過濾的圖像。由Teledyne Dalsa提供。

光是電磁波。它的電場、磁場和傳播方向是正交的。偏振方向被定義為電場方向。電場方向垂直于納米線振蕩方向的光將會穿過濾光片，而平行于納米線振蕩方向的光將會被濾除。當線掃描相機用反射結構與腹板成一定角度安裝時，0°通道傳輸s偏振光(偏振方向垂直于入射平面)，而90°通道傳輸p偏振光(偏振方向平行于入射平面)。假設相機的輸出i0，i90，i135,和iUF分別從0°、90°、135°偏振和未濾波通道輸出，則s偏振態和p偏振態的強度分別為：

使用微偏振器濾鏡的線掃描和面掃描之間的關鍵區別是每個像素的原始偏振狀態數據的數量。區域掃描成像儀通常使用以所謂的超像素格式排列的0°，45°，90°和135°偏振濾光片，其中每個像素捕獲一個原始偏振態。然后使用插值算法根據來自相鄰像素的信息計算另外三個狀態。由于空間分辨率的損失，導致數據精度不高。另一方面，對于線掃描相機，每個偏振態都有100%的采樣。物理測量了多個自然偏振態數據。納米線微偏振器濾光片的對比度如圖2所示。

圖2.納米線微偏振器濾光片的對比度。由Teledyne Dalsa提供。

根據波長的不同，對比度在30~90之間。在未來的設計中可以實現更高的對比度。

Stokes參數，S0，S1，S2等通常被用來分析材料的物理性質。差分偏振、線性偏振度(DoLP)和偏振角(AOP)都是有用的參數。

圖像可視化

偏振圖像與基于強度的傳統圖像基本不相關。在視覺系統中，可以在每個特定的偏振狀態或其組合中實現數據處理。考慮到人類無法看到偏振圖像，所以這是很有用的。彩色編碼的偏振圖像可能是最受歡迎的一種，因為它們不僅可以提供視覺感知，而且可以在彩色成像中利用標準的數據結構和傳輸協議。

圖3.彩色編碼偏振圖像(a)與傳統的未經濾波的圖像(b)用偏振相機捕捉到的塑料尺。在偏振圖像中，RGB分別代表0°(S)、90°(P)和135°偏振態。由Teledyne Dalsa提供。

圖3顯示了由偏振相機捕獲的塑料標尺的彩色編碼偏振圖像，其中RGB分別代表0°(s-偏振)、90°(p-偏振)和135°偏振狀態。還比較了由未濾波信道捕獲的常規圖像。顯然，偏振成像顯示的是塑料尺內部積累的應力，這是常規成像無法檢測到的。

可探測性

隨著檢測要求的線速達到100 kHz左右和物體分辨率縮小到亞微米，機器視覺行業在可檢測性方面面臨著許多挑戰。不同的技術被陸續開發，如時間延遲積分，以提高信噪比，以及彩色和多光譜成像，以獲得光譜特性。然而，基于材料物理特性的檢測，則需要更高的對比度。偏振在這里起著關鍵的作用，因為它對表面或界面上的任何變化都非常敏感。由于相位檢測技術，基于偏振的成像比基于強度的成像更加靈敏。

圖4.透射結構：偏振器將光源轉換成線偏振光。當線偏振光通過物體時，由于雙折射，通常會變成橢圓偏振。可以使用可選的補償器，例如λ/4板。最后由偏振相機拍攝圖像。由Teledyne Dalsa提供。

透射結構(圖4)通常用于透明材料，如玻璃和薄膜。通常偏振器被用來將光源轉換成線偏振光。當線偏振光穿過物體時，由于物體的雙折射，通常會發生橢圓偏振。可選補償器(如λ/4板)也可用于光路中。最后由偏振相機拍攝圖像。偏振器和補償器的角度可以調整，以達到最佳的性能。反射結構(圖5)用于不透明材料。來自半導體和金屬等許多材料的反射光與偏振有關。

圖5.反射結構：偏振器將光源轉換成線偏振光。當線性偏振光從物體反射出來時，反射光一般會變成橢圓偏振光。旋轉偏振片和補償器的角度，以獲得最佳的性能。由Teledyne Dalsa提供。

偏振器將光源轉換為線偏振光。當線性偏振光從物體反射出來時，反射光一般會變成橢圓偏振光。通過旋轉偏振片和補償器的角度，可以獲得到達攝像機的線偏振光。它的結構類似于橢圓儀。不同的是，相機不是使用旋轉分析儀，而是同時捕獲不同的偏振態，具有橫向空間分辨率。光是線狀光源，而不是點光源。

例如，在任何一種結構中，當對象的物理屬性因缺陷而發生變化時，該變化改變的偏振狀態與對象的其他狀態不同。然后由高靈敏度的偏振相機檢測這一變化。

圖6.偏振像(a)與傳統的未經濾波的圖像(b)一副眼鏡。螺釘周圍的應力出現在偏振圖像中，而在常規圖像中看不到。

機械力導致雙折射，這會改變透射光的偏振狀態，就像在一副玻璃上引起應力的螺釘中所看到的那樣(圖6)。從未經過濾的通道中可以看到，常規成像無法檢測到這種應力。

注意表面上有劃痕的電子線路圖像(圖7)。在偏振圖像中，由于對比度增強，表面缺陷更加明顯。

圖7.偏振像(a)與傳統的未經濾波的圖像(b)印刷電路的。使用偏振成像的對比度增強顯示了表面的小劃痕，這是常規成像無法檢測到的。由Teledyne Dalsa提供。

線掃描偏振成像結合了橢圓偏振儀的強大功能和真正的橫向分辨率。橢圓偏振技術是20世紀70年代發展起來的一種非常靈敏的光學技術，其垂直分辨率僅為納米的幾分之一。它被廣泛應用于測定材料的物理性質，如薄膜厚度、材料組成、表面形貌、光學常數、甚至晶體無序性。后來發展起來的成像橢圓儀增加了一定程度的橫向分辨率。然而，由于使用的是點光源，它的視場很小(微米-毫米)，因此只適用于顯微鏡。采用線性傳感器和線性光源的線掃描偏振成像克服了這一限制。

布魯斯特角成像

橢圓儀的入射角一般選擇接近布魯斯特角，

其中n是物體的折射率，與波長有關。對于玻璃，n≈1.52和θB≈56°，硅，n≈3.44和θB≈74°，波長為633 nm。

在布魯斯特角處，p偏振光的反射最小，s-偏振態和p-偏振態反射率的差異最大，這給出了最高的靈敏度。當非偏振光在布魯斯特角下入射，相機安裝在鏡面角度時，p通道捕獲暗信號，而s通道仍然從反射中捕獲正常信號。如果完全的p偏振光是在布魯斯特角下入射的，安裝在同一角度上的照相機會捕捉到一個黑暗的背景。表面上任何因缺陷或雜質等而產生的偏差，都會導致區域明亮。然后可以獲得高對比度的圖像。但是行掃描的一個挑戰是，當視場比傳感器的長度大得多時，就無法滿足這種情況了。

總之，線掃描偏振成像結合了高靈敏度的偏振相位檢測和真正的橫向分辨率，為下一代視覺系統提供了在許多需要的應用中的可檢測性。

審核編輯：郭婷