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漫谈偏振技术

来源:www.lustervision.com    日期:2018-04-23    点击次数:

我们日常生活中从来不会缺少偏振的踪迹,所有的液晶屏发出的光都是偏振光。某些墨镜、3D电影等等全部都是偏振带来的效果。所以问题来了:什么是偏振光?

有方向的光

光是一种横波,也就是一种振动方向和波前进方向相互垂直的波。波的振动方向只限于某一固定方向的光叫做“偏振光”,其振动方向叫做“偏振方向”。

▲绳子的一端系在树上,另一端拿在手里保持固定方向反复摇晃,就模拟出了光波的偏振方向。按照摇晃的方向不同,偏振的方向也不相同。

而偏振片就好比是一条缝隙。缝隙只会让和它方向一致的绳子通过,如果方向不一致,呵呵,不好意思。

▲偏振片只会让平行于它的光波通过。垂直于它的光波,能量会因撞到墙壁而被吸收掉,无法越过。

偏振光为机器视觉开启了一条新的思路,传统机器视觉无法检测的应力、表面粗糙度、合金成分等应用,都是偏振相机的菜,极大地延伸了机器视觉的探测能力。

又快又好又便宜的偏振相机

就像人眼一样,硅基成像芯片也不能够探测光的偏振,只能探测光的强度。因此,芯片需要某种滤波技术来为相机提供探测偏振的能力。目前市面上主流的偏振技术主要分为三种:分时偏振、分幅偏振、焦平面分布偏振。

分时偏振是靠偏振元素的旋转或调制完成的,比如液晶。但是再快的排列速度也依然需要时间,所以分时偏振的速度非常受偏振元素的限制。所以高刷新率的显示屏非常贵。

分幅偏振是将光分成不同的光路,每一个光路都有单独的芯片。棱镜是最常用的分光组件,但是对精密度要求较高,不适合振动或恶劣环境下使用。

焦平面分布偏振是将像素级的微偏振片直接覆盖在成像芯片上,在成像的同时即可同时完成偏振成像,速度快。因为减少了活动件和精密件,整体鲁棒性非常高。此项技术成本也非常低廉。

偏振滤波技术对比

Teledyne DALSA公司出品的Piranha4偏振线扫描相机系列,正是使用焦平面分布偏振技术。纳米级别的偏振滤光片被放在了线扫描芯片上,前三线可分别实现0°、135°、90°的偏振成像,第四线仍然使用未经偏振的传统成像方式。

▲Piranha4偏振线扫描相机与偏振芯片成像原理。

面阵芯片虽然也可以采用这种方式获取偏振图像,但是芯片上的每一个部分都获得的是不同视角的图片,只能够通过开发算法的方式进行弥补。而线阵芯片采用这种方式获取偏振图像就完全可以克服以上缺点,因为线扫描的行距非常小,空间校正功能可以很轻松的让各线对齐而无需额外开发算法。

▲值得一提的是,Piranha4偏振线扫描相机系列因其突破性的原创成像技术,荣获了2017年度Vision System发明白金奖。

打破常规的检测图像

基于材料的物理特性需要更高的对比度,偏振在这个舞台上完全可以大显身手。基于偏振的成像远比基于传统光强的成像要灵敏得多,尤其是表面的微小形变或内部的材料分布。

▲a图为Piranha4偏振相机拍摄的塑料尺子图片,R/G/B三个通道分别代表0°、90°和135°偏振态,通过第四线的未加偏振彩色图像的叠加,可以很明显的看到尺子内部的应力累计情况。而b图则为传统成像,完全无法检测内部应力。

▲a图为一副眼镜的偏振图像,可以明显的看到偏振图像中,由于螺丝拧紧所带来的材料应力变化情况。b图为同样一副眼镜的传统成像,则完全看不到。

▲a图为PCB的偏振图像,可以明显看到增强的细小划痕。而b图为传统成像,划痕的对比度非常小,几乎无法察觉。

通过将偏振相位检测的高灵敏度和传统光强成像相结合,线扫描偏振成像将为下一代机器视觉系统在苛刻应用中提供更多的机会!