机器视觉成像中偏振片的应用

传统工业检测利用人眼对产品外观进行观察并根据对良品/次品的检测标准，来区分产品的好坏。而自动化行业则利用机器视觉成像，并对图像进行软件处理分析，利用PLC控制Robot对产品进行剔除筛选。在利用自动化技术对产品进行检测时，图像成为整个检测过程中最为关键的一步。

在成像过程中，为了得到一幅均匀性好，对比度高的图片，在视觉成像时，会用机器视觉光源进行打光，以便得到便于软件处理的图片。选用合适的光源，一般情况下都能得到一副好的图像，但有时由于产品的特殊材质或特殊的结构而很难得到一副好的图像。

例如光源照在光滑的包装袋上，光滑的包装袋表面在一定角度下反射形成的眩光在成像中是有害的，使我们看不到清晰图像。能够滤除反光的滤镜叫做偏振镜。传统消除反光的做法是在光源上加偏振片，然后把偏振镜装到镜头的前端，仔细旋转偏振镜，使得有害眩光减至最小甚至消失，这样就能拍摄出没有眩光的照片了。

传统的方式有个不便之处是镜头有很多规格尺寸，如果偏振镜与镜头规格不匹配，则安装不上造成使用不便，购买过多的偏振镜也导致成本增加并难以管理。

原理

光是一定波段范围的电磁波，是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的。我们的眼睛能够看到的只是电磁波中的一个很小的波长范围，即380纳米到780纳米左右，这个范围的电磁波称为可见光。电磁波的振动方向与传播方向是垂直的，我们称之为横波。横波就必然有一个偏振的问题。由于和光学发展历史有关的原因，人们常把磁矢量的方向叫做偏振方向，并把磁矢量的传播方向所决定的平面叫做偏振面。

自然光：虽然光从本质上来说是偏振的，但是自然界的大多数情况下，光表现出非偏振的。这是因为我们所看到的自然光（如太阳光，灯光）是由许多光波串组成的。这些光波串中每一串都是偏振的，但是它们的偏振方向是随机的，不断变化着的。在我们的观察时间段里平均后，在任何一个方向上都没有优势。这就是自然光，也叫非偏振光。

线偏振光：让自然光通过一个起偏振器件后，只有一个方向的偏振光能够通过这个器件，我们就得到了线偏振光。线偏振光的振动方向是确定的。

部分偏振光：如果线偏振光中混有一部分自然光，也就是说，这种光包含着各种方向的偏振光，而在某一方向的上体现出偏振的优势。这就是部分偏振光。

圆偏振光：这种光的偏振方向是有规律地旋转着的。而光矢量在旋转过程中的强度是保持一定的。也就是光矢量是沿着一个圆旋转的。这就是圆偏振光。在我们的观察时间段中平均后，圆偏振光看上去是与自然光一样的。但是圆偏振光的偏振方向是按一定规律变化的，而自然光的偏振方向变化是随机的，没有规律的。

椭圆偏振光：这种光的偏振方向也是在规律地旋转着的，但是它的光矢量在旋转过程中强度也在变化。也就是光矢量是沿着一个椭圆旋转的。椭圆偏振光在观察时间段里平均后的结果与部分偏振光相似。但是与部分偏振光不同，它的偏振方向以及光矢量的大小是按一定规律变化的。

用偏振滤镜可以消除水面、玻璃面和其他非金属表面反射光，这是因为在这些介面上反射光的偏振状态发生了变化。

光在不同折射率的介质的界面上会发生反射和折射。入射角与反射角、折射角的关系分别服从反射定律和折射定律。在非金属的界面上，当入射光线与折射光线成直角时，反射光线将是线偏振光，这就是有名的布儒斯特原理。此时的入射角就称为布儒斯特角。从下图可以看出，当光线从空气（介质1，严格地说应该是真空）射入介质2时，布儒斯特角的正切值等于介质2的折射率n。由于介质的折射率是与光波长有关的，对同样的介质，布儒斯特角的大小也是与光波长有关的。以光学玻璃折射率1.4-1.9计算，布儒斯特角大约为54-62度左右。当入射角偏离布儒斯特角时，反射光将是部分偏振光。

圆偏振镜是由一块线偏振镜和一块四分之一波片组成的。四分之一波片是用一种各向异性介质做成的。光在这种介质中传播时，可以分解为两种光矢量相互垂直的线偏振光，一种称为寻常光线（Ordinary light，O光），另一种称为非常光线（Extra-ordinary light，E光）。这两种光在介质中的传播速度是不同的。当一束线偏振光以适当的方向（即偏振方向与O光、E光方向均成45度）射入这种介质中时，就能分解成强度相等的O光和E光在介质中传播（如下图，红色矢量表示入射偏振光方向，振动着的红点分别表示O光和E光方向）。

由于O光与E光在各向异性介质中的传播速度不同，入射时线偏振光分解成的O光与E光是同相位的。经过一段距离的传播后，O光与E光之间就会产生一定的相位差。

但是，如果O光与E光之间的位相差不是90度，则合成的光就会是不同椭圆度的椭圆偏振光（或者线偏振光）。下图列出了几种不同位相差时的情况。

圆周角是360度，相当于一个波长。上述的90度位相差也就相当于四分之一的波长。如果各向异性介质的厚度正好能在O光与E光之间引起90度的位相差，就能把一定偏振方向的线偏振光“变成”圆偏振光。因此我们称其为四分之一波片。如果这种介质的厚度引起了180度的位相差，就会使入射的线偏振光“转过”了90度（下图）。我们称其为半波片。前面说过，圆偏振滤镜就是由线偏振镜加上一块四分之一波片组成的，而且，线偏振镜的偏振方向与四分之一波片的O光（或E光）成45度的。

案例

五金件胶水检测

检测五金件上透明胶水的有无，光路大部分会因为光透射的原因造成无法观察到胶水，而偏振片能消除金属表面的镜面反射光，保留因胶水凹凸不平造成的漫反射光，从而能看到胶水被打白的效果。

IC字符检测

检测IC类电子产品表面的字符，传统的检测方案是利用低角度光检测，但是这样一来，样品表面的镜面反射光也会对成像造成干扰。但是使用偏振片就可以忽略这种干扰，利用偏振消除产品背景的镜面反射光，保留字符的漫射光，从而提高字符的对比度。

载带产品字符检测

检测载带类产品，光路大部分会因为光照到薄膜上而形成反光无法观察到里面的产品，而偏振片能消除薄膜上的反光，保留能透过薄膜的漫反射光，从而能清晰看到里面的产品及表面字符。

充电头针脚检测

检测充电头针脚是否歪斜，光路少部分会照到针脚顶端而形成反光无法捕捉到针脚的真实位置，而偏振片能消除针尖上的反光，从而能清晰看到针脚的位置。

药丸外观检测

检测药丸的颜色及药丸是否破损，因包装材料和药丸都是光滑的圆弧结构导致反光，对图像处理造成干扰，而偏振片能消除产品上面的反光，从而能清晰看到药丸，轻易的能检测出颜色及破损情况。

编辑：黄飞