光(guang)的(de)偏振及(ji)其在視覺中(zhong)的(de)應用

在許多工(gong)業應用中(zhong)，由于低對(dui)比(bi)(bi)度(du)或(huo)高反射成像(xiang)條件，視覺(jue)檢測具有很大的挑戰(zhan)性，偏振相機可(ke)以幫助發現(xian)隱藏的材料特性，并提供比(bi)(bi)標準彩色(se)和單色(se)相機更高的視覺(jue)清晰度(du)。

可以利用偏振(zhen)相(xiang)機(ji)過濾掉不需(xu)要的(de)反射(she)或眩(xuan)光(guang)(guang)，并通過對(dui)偏振(zhen)光(guang)(guang)角(jiao)度(du)著色來(lai)增(zeng)強對(dui)比度(du)，產品(pin)中使用的(de)不同材(cai)料(liao)可以反射(she)和(he)(he)(he)改變光(guang)(guang)的(de)特(te)性(xing)。普通彩色和(he)(he)(he)單(dan)色傳感(gan)器(qi)可檢(jian)測入射(she)光(guang)(guang)的(de)強度(du)和(he)(he)(he)波(bo)長，而(er)偏振(zhen)相(xiang)機(ji)內部使用的(de)特(te)殊偏振(zhen)傳感(gan)器(qi)可以檢(jian)測和(he)(he)(he)過濾反射(she)、折射(she)或散(san)射(she)表面(mian)的(de)光(guang)(guang)的(de)偏振(zhen)角(jiao)度(du)。

什么是偏振？

偏振片的偏振

偏振(zhen)(zhen)是光的(de)(de)基本屬性，描述了光的(de)(de)電(dian)場振(zhen)(zhen)蕩的(de)(de)方向。大多數光源(yuan)，如太陽，發出的(de)(de)是非偏振(zhen)(zhen)光。非偏振(zhen)(zhen)光在垂直于行(xing)進(jin)方向的(de)(de)隨機(ji)(ji)方向上具有振(zhen)(zhen)動(dong)。對于要偏振(zhen)(zhen)的(de)(de)光，隨機(ji)(ji)定向振(zhen)(zhen)動(dong)被移除(chu)或(huo)轉換為(wei)線性，圓形或(huo)橢(tuo)圓形電(dian)磁波(bo)。

偏振(zhen)片(pian)(pian)是(shi)一(yi)種光學濾(lv)光片(pian)(pian)，它允許特(te)定方向(xiang)的(de)(de)光波(bo)通過，同時阻擋(dang)其(qi)他方向(xiang)的(de)(de)光波(bo)。它可以將未(wei)定義或混合偏振(zhen)的(de)(de)光束過濾(lv)成一(yi)束明(ming)確定義的(de)(de)偏振(zhen)光束，即偏振(zhen)光。常見(jian)的(de)(de)偏振(zhen)片(pian)(pian)類型(xing)是(shi)線性(xing)偏振(zhen)片(pian)(pian)和圓(yuan)偏振(zhen)片(pian)(pian)。

反射偏振

非偏(pian)振光(guang)可以通過非金屬表面的(de)表面反(fan)射(she)(she)進行偏(pian)振。金屬表面反(fan)射(she)(she)入射(she)(she)光(guang)的(de)偏(pian)振，無論(lun)是偏(pian)振的(de)還(huan)是非偏(pian)振的(de)，并(bing)且不會顯著偏(pian)振。其他材料，如玻璃、塑料和(he)水的(de)半透明(ming)表面，將一定(ding)量的(de)光(guang)反(fan)射(she)(she)并(bing)偏(pian)振回環境(jing)中(zhong)。

由于(yu)具有(you)平(ping)行于(yu)入射(she)(she)(she)平(ping)面的(de)電(dian)(dian)場的(de)光(guang)(guang)(guang)的(de)反射(she)(she)(she)系數在0°和90°之間的(de)某(mou)個角(jiao)(jiao)度(du)(du)處(chu)為(wei)零，因此該角(jiao)(jiao)度(du)(du)的(de)反射(she)(she)(she)光(guang)(guang)(guang)是線性偏振(zhen)(zhen)的(de)，其(qi)(qi)電(dian)(dian)場矢(shi)量垂直于(yu)入射(she)(she)(she)平(ping)面并平(ping)行于(yu)其(qi)(qi)反射(she)(she)(she)的(de)表面的(de)平(ping)面。發生這種情況(kuang)的(de)角(jiao)(jiao)度(du)(du)稱為(wei)偏振(zhen)(zhen)角(jiao)(jiao)或布魯斯特角(jiao)(jiao)。在其(qi)(qi)他角(jiao)(jiao)度(du)(du)，反射(she)(she)(she)光(guang)(guang)(guang)被部分偏振(zhen)(zhen)。

折射偏振

偏振(zhen)(zhen)也可以通過光(guang)的(de)(de)折射發(fa)生(sheng)。當光(guang)束(shu)(shu)從一(yi)種(zhong)(zhong)材料進入另一(yi)種(zhong)(zhong)材料時，就(jiu)會發(fa)生(sheng)折射。在(zai)兩(liang)種(zhong)(zhong)材料的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)，光(guang)束(shu)(shu)的(de)(de)路(lu)徑改變其方(fang)向(xiang)。折射光(guang)束(shu)(shu)獲得一(yi)定程度的(de)(de)偏振(zhen)(zhen)。大多(duo)數(shu)情況(kuang)下，偏振(zhen)(zhen)發(fa)生(sheng)在(zai)垂直于表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)平面(mian)上。

冰(bing)島石（Iceland Spar）是一(yi)種相當罕見的(de)(de)(de)礦物方解石形(xing)式，它(ta)將(jiang)(jiang)(jiang)入(ru)射(she)光(guang)(guang)(guang)折(zhe)射(she)成(cheng)兩(liang)條(tiao)不同的(de)(de)(de)路徑。光(guang)(guang)(guang)線(xian)(xian)在(zai)(zai)進(jin)入(ru)晶(jing)體(ti)時被分成(cheng)兩(liang)束(shu)。隨后，如果(guo)通(tong)過冰(bing)島Spar晶(jing)體(ti)觀(guan)察物體(ti)，將(jiang)(jiang)(jiang)看到兩(liang)個(ge)圖(tu)像(xiang)。這兩(liang)個(ge)圖(tu)像(xiang)是光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)雙重折(zhe)射(she)的(de)(de)(de)結(jie)果(guo)。兩(liang)種折(zhe)射(she)光(guang)(guang)(guang)束(shu)都是偏振(zhen)(zhen)的(de)(de)(de)，一(yi)個(ge)在(zai)(zai)平(ping)行(xing)于表面的(de)(de)(de)方向上(shang)，另一(yi)個(ge)在(zai)(zai)垂(chui)(chui)直于表面的(de)(de)(de)方向上(shang)。由于這兩(liang)條(tiao)折(zhe)射(she)光(guang)(guang)(guang)線(xian)(xian)以垂(chui)(chui)直方向偏振(zhen)(zhen)，因此可以使(shi)用偏振(zhen)(zhen)濾(lv)(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)片(pian)完(wan)全阻擋其中(zhong)一(yi)幅圖(tu)像(xiang)。如果(guo)濾(lv)(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)片(pian)的(de)(de)(de)偏振(zhen)(zhen)軸垂(chui)(chui)直于偏振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)平(ping)面對齊(qi)，則光(guang)(guang)(guang)被濾(lv)(lv)(lv)光(guang)(guang)(guang)片(pian)完(wan)全阻擋；同時，第(di)(di)二幅圖(tu)像(xiang)盡可能明亮。如果(guo)濾(lv)(lv)(lv)鏡在(zai)(zai)任一(yi)方向上(shang)旋轉(zhuan)90度，則第(di)(di)二個(ge)圖(tu)像(xiang)將(jiang)(jiang)(jiang)重新出現，第(di)(di)一(yi)個(ge)圖(tu)像(xiang)將(jiang)(jiang)(jiang)消失(shi)。

偏振的應用

偏(pian)(pian)振的應(ying)用(yong)長期以(yi)來一(yi)(yi)直用(yong)于機器視覺(jue)檢(jian)(jian)測(ce)，以(yi)檢(jian)(jian)測(ce)應(ying)力(li)，檢(jian)(jian)測(ce)物體并減少透明物體的眩(xuan)光(guang)。典型(xing)的設置需(xu)要在目標(biao)物體、光(guang)源和相機之(zhi)間安裝(zhuang)一(yi)(yi)個(ge)或多個(ge)外部偏(pian)(pian)振片板(ban)。各種(zhong)設置可用(yong)于測(ce)量材料(liao)應(ying)力(li)，增強(qiang)對比度以(yi)及(ji)分析表面質量的凹痕(hen)或劃痕(hen)。

應力檢測

當偏振光(guang)穿過透明材料(liao)時，偏振光(guang)的(de)(de)入(ru)射角(jiao)度(du)(du)將通過物體中的(de)(de)不同應(ying)力區域轉換(huan)為(wei)不同的(de)(de)角(jiao)度(du)(du)。通過將顏(yan)色分配給(gei)特定的(de)(de)偏振角(jiao)度(du)(du)，可以可視化(hua)缺(que)陷和應(ying)力區域。

減少反射

物體會反射光線，使(shi)表面檢(jian)測變得困難。食品和包裝檢(jian)測應用(yong)可以通過減少反射和眩光來減少偏振片的使(shi)用(yong)。

提高對比度

在(zai)低光照條件下，可以(yi)通過檢測物(wu)體偏振(zhen)的角(jiao)度(du)來改(gai)善(shan)對(dui)比度(du)。上面(mian)的例子展示了如何(he)在(zai)低光下通過常規成像來改(gai)善(shan)對(dui)比度(du)。

劃痕檢測

與(yu)應(ying)力檢(jian)測類似，使用傳統成像很(hen)難(nan)識(shi)別某些缺陷和劃痕。為了幫(bang)助識(shi)別表(biao)面缺陷，偏振成像可用于檢(jian)測透明(ming)材料(liao)上的劃痕。

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