在日常(chang)生活(huo)中，經常(chang)會(hui)遇(yu)(yu)到各種“反光(guang)”現(xian)(xian)象，使得我(wo)們(men)在觀(guan)察事物(wu)或(huo)(huo)攝(she)影時有一定的障礙(ai)。比如(ru)：觀(guan)賞(shang)水中的動(dong)植物(wu)時，水面上(shang)常(chang)常(chang)會(hui)有一道(dao)道(dao)光(guang)斑影響視線(xian)；陽光(guang)充足的柏油(you)路面上(shang)，時常(chang)會(hui)有耀眼的強光(guang)射入司機(ji)(ji)的眼睛……相應地，在機(ji)(ji)器視覺中，我(wo)們(men)也(ye)會(hui)經常(chang)遇(yu)(yu)到類似的情況：由于工件表面上(shang)的噴(pen)漆、鍍膜、玻璃(li)、包裝(zhuang)膜或(huo)(huo)其它反光(guang)材質(zhi)的影響，工業(ye)相機(ji)(ji)無法(fa)順(shun)利(li)采集到高質(zhi)量的圖像(xiang)。因圖像(xiang)的對比度較低(di)或(huo)(huo)者關(guan)鍵特征無法(fa)完(wan)整(zheng)呈(cheng)現(xian)(xian)，經常(chang)會(hui)導致(zhi)機(ji)(ji)器視覺系統中誤檢、誤判、精度低(di)、不穩定等(deng)現(xian)(xian)象的發生，甚(shen)至是輸出錯誤的數據。然(ran)而，這些問題(ti)我(wo)們(men)是可以利(li)用光(guang)的偏振特性得以解決的。

一、偏振基礎原理

1. 偏振光介紹

偏(pian)(pian)振(zhen)是(shi)指橫波(bo)的(de)(de)(de)振(zhen)動(dong)(dong)矢量（垂直于(yu)(yu)波(bo)的(de)(de)(de)傳(chuan)播(bo)方(fang)向(xiang)）偏(pian)(pian)于(yu)(yu)某些方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)現(xian)(xian)象，光(guang)的(de)(de)(de)偏(pian)(pian)振(zhen)現(xian)(xian)象是(shi)由(you)法國工(gong)程師馬呂斯于(yu)(yu)1808年(nian)發現(xian)(xian)的(de)(de)(de)。眾所(suo)周(zhou)知，自然光(guang)是(shi)一(yi)種電磁波(bo)，屬于(yu)(yu)橫波(bo)，其(qi)在(zai)垂直于(yu)(yu)傳(chuan)播(bo)方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)平(ping)面內包含(han)著一(yi)切可能方(fang)向(xiang)的(de)(de)(de)振(zhen)動(dong)(dong)，且平(ping)均(jun)而(er)言(yan)在(zai)任一(yi)方(fang)向(xiang)上都(dou)具有相同的(de)(de)(de)振(zhen)幅，即(ji)振(zhen)動(dong)(dong)方(fang)向(xiang)是(shi)對(dui)稱的(de)(de)(de)，如圖1所(suo)示。然而(er)，當光(guang)的(de)(de)(de)振(zhen)動(dong)(dong)方(fang)向(xiang)對(dui)于(yu)(yu)傳(chuan)播(bo)方(fang)向(xiang)不對(dui)稱性時，便(bian)成(cheng)了偏(pian)(pian)振(zhen)光(guang)。偏(pian)(pian)振(zhen)現(xian)(xian)象橫波(bo)區(qu)別于(yu)(yu)其(qi)他縱波(bo)的(de)(de)(de)一(yi)個最(zui)明顯的(de)(de)(de)標志。

偏(pian)(pian)振(zhen)光(guang)按其性質(zhi)可分為平面偏(pian)(pian)振(zhen)光(guang)（或線(xian)偏(pian)(pian)振(zhen)光(guang)），圓(yuan)偏(pian)(pian)振(zhen)光(guang)，橢圓(yuan)偏(pian)(pian)振(zhen)光(guang)和(he)部分偏(pian)(pian)正光(guang)。例如，自然光(guang)在傳播過程(cheng)中經(jing)過某(mou)種介質(zhi)（偏(pian)(pian)振(zhen)片）后，只有一(yi)個固(gu)定振(zhen)動方向(xiang)的(de)光(guang)能夠通過這個介質(zhi)，就得到了線(xian)偏(pian)(pian)振(zhen)光(guang)。線(xian)偏(pian)(pian)振(zhen)光(guang)的(de)振(zhen)動方向(xiang)是確(que)定的(de)，如圖(tu)2所(suo)示。

為了更好(hao)地(di)理解光(guang)的偏(pian)(pian)振現象，我們可以借助實驗裝置進行生動地(di)闡述(shu)。在(zai)圖(tu)3、圖(tu)4中(zhong)，P1（起(qi)偏(pian)(pian)器(qi)）、P2（檢偏(pian)(pian)器(qi)）是兩塊同樣的偏(pian)(pian)振片(pian)(pian)。在(zai)圖(tu)3中(zhong)，自然光(guang)（如燈光(guang)或陽光(guang)）通過偏(pian)(pian)振片(pian)(pian)P1后，形成了偏(pian)(pian)振光(guang)。但(dan)由于(yu)人的眼睛(jing)沒(mei)有辨別偏(pian)(pian)振光(guang)的能力，故無法察覺(jue)。

如(ru)果我們把偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)片(pian)P1的(de)方位固定，而(er)把偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)片(pian)P2緩慢地轉(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)，就可(ke)發(fa)現透射(she)光(guang)(guang)(guang)的(de)強(qiang)(qiang)度隨著P2轉(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)而(er)出(chu)現周期(qi)性(xing)的(de)變化，而(er)且每轉(zhuan)(zhuan)過90°就會重復出(chu)現發(fa)光(guang)(guang)(guang)強(qiang)(qiang)度從最大逐漸減弱到最暗。繼續(xu)轉(zhuan)(zhuan)動(dong)(dong)P2則(ze)光(guang)(guang)(guang)強(qiang)(qiang)又從接近于(yu)零逐漸增強(qiang)(qiang)到最大。由此可(ke)知，通過P1的(de)透射(she)光(guang)(guang)(guang)與(yu)原來(lai)的(de)入射(she)光(guang)(guang)(guang)性(xing)質是有(you)所不同的(de)，這說明經P1的(de)透射(she)光(guang)(guang)(guang)的(de)振(zhen)(zhen)動(dong)(dong)對傳播方向不具有(you)對稱性(xing)。圖3中(zhong)偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)(guang)通過旋轉(zhuan)(zhuan)的(de)檢(jian)偏(pian)(pian)器P2，光(guang)(guang)(guang)強(qiang)(qiang)發(fa)生變化，在P2平行(xing)于(yu)線偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)(guang)方向時(shi)，光(guang)(guang)(guang)強(qiang)(qiang)最大；圖4中(zhong)在P2垂直于(yu)線偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)(guang)方向時(shi)，光(guang)(guang)(guang)強(qiang)(qiang)幾乎為零。

圖3 P2方向與線(xian)偏(pian)振光方向水平

圖(tu)4 P2方向(xiang)與線(xian)偏振光方向(xiang)垂直

將光(guang)的(de)(de)偏(pian)振特性運用(yong)于機器(qi)視(shi)覺光(guang)源中，通過合理的(de)(de)設計(ji)改變(bian)光(guang)源所發射光(guang)波的(de)(de)振動(dong)方向，同時約束反射回相(xiang)機的(de)(de)光(guang)波的(de)(de)振動(dong)方向，便(bian)可(ke)消除機器(qi)視(shi)覺中常見的(de)(de)強反光(guang)現象。偏(pian)光(guang)光(guang)源由此產生。

2、偏振光源光路原理

2.1偏振片/偏振鏡

偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)片(pian)是(shi)用(yong)人工方(fang)法制(zhi)成(cheng)(cheng)的(de)薄膜(mo)，是(shi)用(yong)特殊(shu)方(fang)法使(shi)選(xuan)擇性吸收(shou)很(hen)強的(de)微粒晶體在透明(ming)膠層(ceng)中作(zuo)有規(gui)則排列而制(zhi)成(cheng)(cheng)的(de)，它允許透過(guo)某一矢(shi)量振(zhen)(zhen)(zhen)動方(fang)向(xiang)(xiang)的(de)光(guang)(guang)（此(ci)方(fang)向(xiang)(xiang)稱為(wei)(wei)偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)化方(fang)向(xiang)(xiang)），而吸收(shou)與其(qi)垂直振(zhen)(zhen)(zhen)動的(de)光(guang)(guang)，即具有二向(xiang)(xiang)色(se)性. 因此(ci)自然光(guang)(guang)通過(guo)偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)片(pian)后，透射光(guang)(guang)基本上成(cheng)(cheng)為(wei)(wei)平面偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)光(guang)(guang)。由于偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)片(pian)易于制(zhi)作(zuo)，所以(yi)它是(shi)普遍使(shi)用(yong)的(de)偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)器。通過(guo)調節兩個(ge)偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)片(pian)的(de)相對(dui)方(fang)向(xiang)(xiang)可以(yi)過(guo)濾(lv)掉某些強反光(guang)(guang)。

圖5 偏振片 （左），圖6 偏振鏡 （右）

2.2偏振光源的光路原理

圖7 偏振光(guang)源(yuan)光(guang)路原理

這(zhe)里以透(tou)明(ming)包(bao)裝膜(mo)內的(de)(de)工件(jian)檢(jian)測為(wei)(wei)例，闡述一下偏(pian)光(guang)(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)路原理。如圖7所(suo)示，由光(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)發出的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)Ⅰ經過偏(pian)光(guang)(guang)(guang)(guang)片A得到如光(guang)(guang)(guang)(guang)Ⅱ的(de)(de)線偏(pian)振光(guang)(guang)(guang)(guang)。光(guang)(guang)(guang)(guang)Ⅱ遇到包(bao)裝膜(mo)時部分(fen)會(hui)發生鏡面反(fan)射(she)，即產生光(guang)(guang)(guang)(guang)Ⅲ，同時部分(fen)會(hui)透(tou)射(she)至目標(biao)物(wu)表面并形成漫反(fan)射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)Ⅳ。此(ci)時光(guang)(guang)(guang)(guang)Ⅳ經過目標(biao)物(wu)的(de)(de)反(fan)射(she)，振動方向發生變(bian)(bian)化，再透(tou)過玻璃面時偏(pian)光(guang)(guang)(guang)(guang)狀態仍然(ran)混(hun)亂，變(bian)(bian)成非偏(pian)振光(guang)(guang)(guang)(guang)。 在光(guang)(guang)(guang)(guang)Ⅲ和(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)Ⅳ中(zhong)，光(guang)(guang)(guang)(guang)Ⅳ可透(tou)過偏(pian)光(guang)(guang)(guang)(guang)片B，變(bian)(bian)為(wei)(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)Ⅴ（偏(pian)振光(guang)(guang)(guang)(guang)）并到達相機的(de)(de)CCD，但(dan)只含(han)單方向偏(pian)光(guang)(guang)(guang)(guang)成分(fen)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)Ⅲ會(hui)被偏(pian)光(guang)(guang)(guang)(guang)鏡B擋住而不通過，因此(ci)可去除玻璃或者透(tou)明(ming)膜(mo)上的(de)(de)鏡面反(fan)光(guang)(guang)(guang)(guang)，輕(qing)松提取目標(biao)物(wu)上的(de)(de)特(te)征信息。

二、視覺行業典型應用

1、偏振光源

下圖展示了偏(pian)振光(guang)(guang)源(yuan)的(de)典型系統(tong)組成，主(zhu)要應用(yong)部(bu)件為(wei)常規光(guang)(guang)源(yuan)、起偏(pian)器和(he)檢偏(pian)器。起偏(pian)器集成在光(guang)(guang)源(yuan)前部(bu)，使得自然光(guang)(guang)轉(zhuan)換為(wei)線(xian)偏(pian)振光(guang)(guang)，經(jing)鏡(jing)面反射后透(tou)過鏡(jing)頭(tou)前的(de)檢偏(pian)器，保證(zheng)二者正交角度即可阻擋簡單的(de)鏡(jing)面反光(guang)(guang)，有效(xiao)去除（抑(yi)制）眩光(guang)(guang)發生。

a、藥片檢測

針對醫療行業中常見的(de)藥片漏裝、缺陷(xian)檢測(ce)，常常由(you)于表(biao)面氣(qi)(qi)罩(zhao)包的(de)存(cun)在(zai)(zai)導致(zhi)成(cheng)(cheng)像存(cun)在(zai)(zai)眩光(guang)（局部過曝），難(nan)以(yi)清(qing)晰(xi)地觀(guan)測(ce)內部藥片情況。此時可以(yi)通過偏振光(guang)源(yuan)實現表(biao)面清(qing)晰(xi)成(cheng)(cheng)像，去除氣(qi)(qi)罩(zhao)包鏡面反射(she)導致(zhi)的(de)眩光(guang)等(deng)現象。

b、讀碼器

隨著工業4.0的高(gao)速發(fa)展(zhan)，產(chan)品追(zhui)溯已(yi)滲透(tou)至各(ge)行各(ge)業，追(zhui)溯使用(yong)的條碼標記也不僅僅局限(xian)于(yu)平面(mian)(mian)，而是更多地被標記于(yu)弧面(mian)(mian)、球面(mian)(mian)等(deng)(deng)反(fan)光(guang)表面(mian)(mian)，同時由于(yu)可(ke)能存在的條碼外包(bao)裝高(gao)反(fan)等(deng)(deng)情況(kuang)，對于(yu)讀碼器的讀碼能力帶來了更高(gao)要(yao)求。

而(er)針對成像反光等情況，很多讀碼器(qi)兼容偏振(zhen)功能，通過(guo)配備半偏振(zhen)/全偏振(zhen)鏡頭罩(zhao)，實現二維碼圖像的清晰獲取。

c、AGV導航

常見AGV導(dao)航(hang)(hang)技術包(bao)含磁條導(dao)航(hang)(hang)、二維(wei)(wei)碼導(dao)航(hang)(hang)、紋(wen)理(li)導(dao)航(hang)(hang)、激光導(dao)航(hang)(hang)及(ji)視覺導(dao)航(hang)(hang)等方式，利(li)用不同(tong)的(de)(de)信號反饋定(ding)(ding)位AGV實(shi)時位置以(yi)(yi)進(jin)行(xing)搬運作業。以(yi)(yi)二維(wei)(wei)碼導(dao)航(hang)(hang)及(ji)紋(wen)理(li)導(dao)航(hang)(hang)為例，常常利(li)用集成(cheng)在AGV下方的(de)(de)下視相機結合(he)光源進(jin)行(xing)底(di)面二維(wei)(wei)碼/紋(wen)理(li)信息(xi)采(cai)集，通過(guo)識(shi)別/匹配(pei)算法實(shi)現AGV的(de)(de)實(shi)時定(ding)(ding)位，具有定(ding)(ding)位精(jing)度高、穩定(ding)(ding)性(xing)好等優勢(shi)。

但(dan)考慮到(dao)二維碼(ma)材質、地面狀態（環氧地坪等），很容易造成反(fan)射燈珠成像、局部過曝等現象，常(chang)(chang)常(chang)(chang)采用偏振(zhen)(zhen)鏡(jing)(jing)頭罩解決，分(fen)別在光源前方進行(xing)起偏和鏡(jing)(jing)頭前方檢偏，通過兩組偏振(zhen)(zhen)片的過濾，消除鏡(jing)(jing)面反(fan)射效應。

2、偏振導航

天(tian)空(kong)光具(ju)有相對穩定的偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)分(fen)布，以Rayleigh散射(she)理(li)論(lun)為(wei)基礎，基于斯托(tuo)克矢量和地(di)平坐標(biao)系(xi)，就可(ke)以建立簡單的天(tian)空(kong)光偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)分(fen)布模型。因此在一(yi)定時間(jian)、地(di)點觀測天(tian)空(kong)，可(ke)以得到(dao)一(yi)幅穩定的光偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)分(fen)布圖，獲得探(tan)測目標(biao)的偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)度、偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)方(fang)位角信息，實現(xian)載體航向信息的獲取。

相較于傳統(tong)導航定位系統(tong)，成像(xiang)式仿生偏振導航裝置外形更(geng)加(jia)(jia)小巧，重(zhong)量更(geng)加(jia)(jia)輕(qing)便，光(guang)敏感性(xing)、集成度可以(yi)加(jia)(jia)優越，受外界環境(jing)干擾更(geng)小。

3、偏振相機

許多(duo)視覺系統都(dou)試圖克服(fu)玻璃、塑料和金(jin)屬等(deng)反(fan)光表面產生的(de)(de)動(dong)態或多(duo)余(yu)光線、反(fan)射(she)、朦(meng)朧和眩光影響。偏(pian)振(zhen)相機提供四(si)組偏(pian)振(zhen)角(jiao)分別(bie)為 90°、45°、135°和 0°的(de)(de)偏(pian)振(zhen)圖像，以根據照明(ming)條件的(de)(de)變(bian)化，以及(ji)相對運動(dong)和方向(xiang)做(zuo)出補償(chang)，改善在挑戰性照明(ming)條件下的(de)(de)圖像質量(liang)和決策時間。

同時除了補(bu)獲常(chang)規的亮度和(he)顏色信息外，還可以補(bu)獲正常(chang)圖像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)無法檢測到的偏(pian)振信息，使得(de)其能(neng)(neng)在能(neng)(neng)見度低(di)、拍(pai)攝畫面困難情況下進行(xing)檢測，借助偏(pian)振度及偏(pian)振方(fang)向等(deng)偏(pian)振特性(xing)實現廣泛應用(yong)。