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偏振成像的基本原理和优点

通过空间校正，线扫描偏振相机可以检测到常规成像无法检测到的双折射、应力、表面粗糙度和物理特性。

强度、波长和偏振有三个基本特征：.今天，几乎所有的相机都是为单色或彩色成像设计的。单色相机用于测量像素级宽带光谱上的光强，而彩色或多光谱相机用于测量红、绿、蓝、近红外波段的光强。同样，偏振相机也用于捕捉多偏振状态下的光强。

根据 AIA2015年，一项市场调查显示，2015年全球机器视觉市场达到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的一种，但到目前为止还没有有线扫描偏振相机来捕捉多偏振状态的图像。

偏振提供了许多好处，它不仅检测几何和表面，而且测量传统成像检测的物理性质。在机器视觉中，它可以用来增强难以区分的对比度。结合相位检测技术，偏振成像的成像灵敏度远高于传统的成像方法。

偏振滤波技术

就像人类的眼睛一样，硅不能决定光的偏振。因此，在图像传感器前需要一个偏振滤波器。图像传感器用滤波器定义的偏振状态检测光的强度。

大多数常见的偏振滤波器可分为三种类型：时间分割、振幅分割或焦平面分割（表1）。在时间分割的偏振测量中，随着偏振元件（如液晶、偏振片或光弹性调节器）的旋转或调节，数据按时间顺序获得，其速度受调节器的限制。在今天的许多应用程序中，通常需要100 kHz时间分割滤波器有其固有的局限性，而且由于设计复杂，成本也很高。

对于振幅分割的滤波器，光分为不同的光路，每个光路都有一个独立的传感器。棱镜是最常用的部件，但通常很难实现高的组装精度，通常需要更大的空间来安装棱镜。

对于焦平面分割滤光器，在焦平面上放置微偏振片阵列，以定义不同的偏振状态。该技术适用于紧凑、稳定、低成本的设计.然而，对于区域扫描成像仪，空间分辨率存在固有的缺点，因为每个像素只提供一个自然偏振数据。该算法用于插入其他算法。

传感器体系结构

可用的偏振相机(图1)包含四线架构CMOS传感器。由纳米线组成的微偏振器阵列放置在硅上，螺距为140 nm，宽度为70 nm，偏振滤光片在前三个线性阵列中的取向为0°、135°和90°。过滤器的强度由底部阵列记录。第四个通道是一个未经过滤的阵列，它捕获的总强度相当于一个传统的图像，而有源阵列之间的间隙减少了空间干扰。

图1.偏振相机原理图为传感器结构。在硅中放置纳米线微偏振器滤光片(Si)在前三个线阵阵中分别定义°(S)、135°和90°(P)偏振态。第四个数组是记录传统未过滤图像的未过滤通道。Teledyne Dalsa提供。

光是电磁波。它的电场、磁场和传输方向是正交的。偏振方向被定义为电场方向。垂直于纳米线振荡方向的光会通过滤光片，平行于纳米线振荡方向的光会被过滤掉。当线扫描相机用反射结构和腹板安装在一定角度时，0°通道传输s偏振光(偏振方向垂直于入射平面)，90°通道传输p偏振光(偏振方向与入射平面平行)。假设相机的输出i0，i90，i135,和iUF分别从0°、90°、135°如果输出偏振和未滤波通道，s偏振态和p偏振强度分别为：

使用微偏振器滤镜的线扫描和表面扫描的关键区别是每个像素原始偏振状态数据的数量。区域扫描成像仪通常以所谓的超像素格式排列°，45°，90°和135°偏振过滤器，每个像素捕获一个原始偏振状态。然后根据相邻像素的信息使用插值算法计算另外三个状态。由于空间分辨率的损失，数据精度较低。另一方面，每个偏振状态的采样量为100%。物理测量了多个自然偏振数据。纳米线微偏振器滤光器的对比度如图2所示。

图2.纳米线微偏振器滤光片的对比度。Teledyne Dalsa提供。

对比度为30~90之间。在未来的设计中可以实现更高的对比度。

Stokes参数，S0，S1，S通常用于分析材料的物理性质。差分 偏振和线性偏振(DoLP)和偏振角(AOP)都是有用的参数。

图像可视化

偏振图像与基于强度的传统图像基本无关。在视觉系统中，数据处理可以在每个特定的偏振状态或组合中实现。考虑到人类看不到偏振图像，这是非常有用的。彩色代码的偏振图像可能是最受欢迎的，因为它们不仅可以提供视觉感知，还可以在彩色成像中使用标准的数据结构和传输协议。

图3.偏振图像的彩色编码(a)未经过滤波的传统图像(b)用偏振相机捕捉到的塑料尺。在偏振图像中，RGB分别代表0°(S)、90°(P)和135°偏振态。由Teledyne Dalsa提供。

图3显示了偏振相机捕获的塑料尺的彩色编码偏振图像，其中RGB分别代表0°(s-偏振)、90°(p-偏振)和135°偏振状态。它还比较了未过滤信道捕获的传统图像。显然，偏振成像显示了塑料尺内积累的应力，这是传统成像无法检测到的。

可探测性

随着检测要求的线速达到100 kHz左右物体分辨率降低到亚微米，机器视觉行业在可检测性方面面临诸多挑战。为了获得光谱特性，先后开发了不同的技术，如延迟积分以提高信噪比、颜色和多光谱成像。然而，基于材料物理特性的检测需要更高的对比度。偏振在这里起着关键作用，因为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敏感。

图4.透射结构：偏振器将光源转换为线偏振光。当线偏振光通过物体时，由于双折射，通常会变成椭圆偏振。可选补偿器，如λ/4板。图像最后由偏振相机拍摄。Teledyne Dalsa提供。

透射结构（图4）通常用于透明材料，如玻璃和薄膜。偏振器通常用于将光源转换为线性偏振光。当线性偏振光通过物体时，椭圆偏振通常发生在物体的双折射中。可选补偿器（如λ/4板)也可用于光路。最后，偏振相机拍摄图像。可以调整偏振器和补偿器的角度，以达到最佳性能。不透明材料采用反射结构(图5)。半导体、金属等材料的反射光与偏振有关。

图5.反射结构：偏振器将光源转换为线性偏振光。当线性偏振光从物体反射时，反射光通常会变成椭圆偏振光。旋转偏振片和补偿器的角度以获得最佳性能。Teledyne Dalsa提供。

偏振器将光源转换为线性偏振光。当线性偏振光从物体反射时，反射光通常会变成椭圆偏振光。通过旋转偏振片和补偿器的角度，可以获得到达相机的线性偏振光。它的结构类似于椭圆仪。不同的是，相机不使用旋转分析仪，而是捕获具有横向空间分辨率的不同偏振状态。光是线性光源，而不是点光源。

例如，在任何结构中，当物体的物理属性因缺陷而变化时，变化的偏振状态都不同于物体的其他状态。然后用高灵敏度的偏振相机检测变化。

图6.偏振像(a)与传统的未经滤波的图像(b)一副眼镜。螺钉周围的应力出现在偏振图像中，而在常规图像中看不到。

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(图6)。从未经过滤的通道中可以看到，常规成像无法检测到这种应力。

注意表面上有划痕的电子线路图像(图7)。在偏振图像中，由于对比度增强，表面缺陷更加明显。

图7.偏振像(a)与传统的未经滤波的图像(b)印刷电路的。使用偏振成像的对比度增强显示了表面的小划痕，这是常规成像无法检测到的。由Teledyne Dalsa提供。

线扫描偏振成像结合了椭圆偏振仪的强大功能和真正的横向分辨率。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学技术，其垂直分辨率仅为纳米的几分之一。它被广泛应用于测定材料的物理性质，如薄膜厚度、材料组成、表面形貌、光学常数、甚至晶体无序性。后来发展起来的成像椭圆仪增加了一定程度的横向分辨率。然而，由于使用的是点光源，它的视场很小(微米-毫米)，因此只适用于显微镜。采用线性传感器和线性光源的线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是物体的折射率，与波长有关。对于玻璃，n≈1.52和θB≈56°，硅，n≈3.44和θB≈74°，波长为633 nm。

在布鲁斯特角处，p偏振光的反射最小，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，都会导致区域明亮。然后可以获得高对比度的图像。但是行扫描的一个挑战是，当视场比传感器的长度大得多时，就无法满足这种情况了。

总之，线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辨率，为下一代视觉系统提供了在许多需要的应用中的可检测性。

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