光的偏振及其在视觉中的应用

光的偏振及其在视觉中的应用

在许多工业应用中，由于低对比度或高反射成像条件，视觉检测具有很大的挑战性，偏振相机可以帮助发现隐藏的材料特性，并提供比标准彩色和单色相机更高的视觉清晰度。

可以利用偏振相机过滤掉不需要的反射或眩光，并通过对偏振光角度着色来增强对比度，产品中使用的不同材料可以反射和改变光的特性。普通彩色和单色传感器可检测入射光的强度和波长，而偏振相机内部使用的特殊偏振传感器可以检测和过滤反射、折射或散射表面的光的偏振角度。

什么是偏振？

偏振片的偏振

偏振是光的基本属性，描述了光的电场振荡的方向。大多数光源，如太阳，发出的是非偏振光。非偏振光在垂直于行进方向的随机方向上具有振动。对于要偏振的光，随机定向振动被移除或转换为线性，圆形或椭圆形电磁波。

偏振片是一种光学滤光片，它允许特定方向的光波通过，同时阻挡其他方向的光波。它可以将未定义或混合偏振的光束过滤成一束明确定义的偏振光束，即偏振光。常见的偏振片类型是线性偏振片和圆偏振片。

反射偏振

非偏振光可以通过非金属表面的表面反射进行偏振。金属表面反射入射光的偏振，无论是偏振的还是非偏振的，并且不会显着偏振。其他材料，如玻璃、塑料和水的半透明表面，将一定量的光反射并偏振回环境中。

由于具有平行于入射平面的电场的光的反射系数在0°和90°之间的某个角度处为零，因此该角度的反射光是线性偏振的，其电场矢量垂直于入射平面并平行于其反射的表面的平面。发生这种情况的角度称为偏振角或布鲁斯特角。在其他角度，反射光被部分偏振。

折射偏振

偏振也可以通过光的折射发生。当光束从一种材料进入另一种材料时，就会发生折射。在两种材料的表面，光束的路径改变其方向。折射光束获得一定程度的偏振。大多数情况下，偏振发生在垂直于表面的平面上。

冰岛石（Iceland Spar）是一种相当罕见的矿物方解石形式，它将入射光折射成两条不同的路径。光线在进入晶体时被分成两束。随后，如果通过冰岛Spar晶体观察物体，将看到两个图像。这两个图像是光的双重折射的结果。两种折射光束都是偏振的，一个在平行于表面的方向上，另一个在垂直于表面的方向上。由于这两条折射光线以垂直方向偏振，因此可以使用偏振滤光片完全阻挡其中一幅图像。如果滤光片的偏振轴垂直于偏振光的平面对齐，则光被滤光片完全阻挡；同时，第二幅图像尽可能明亮。如果滤镜在任一方向上旋转90度，则第二个图像将重新出现，第一个图像将消失。

偏振的应用

偏振的应用长期以来一直用于机器视觉检测，以检测应力，检测物体并减少透明物体的眩光。典型的设置需要在目标物体、光源和相机之间安装一个或多个外部偏振片板。各种设置可用于测量材料应力，增强对比度以及分析表面质量的凹痕或划痕。

应力检测

当偏振光穿过透明材料时，偏振光的入射角度将通过物体中的不同应力区域转换为不同的角度。通过将颜色分配给特定的偏振角度，可以可视化缺陷和应力区域。

减少反射

物体会反射光线，使表面检测变得困难。食品和包装检测应用可以通过减少反射和眩光来减少偏振片的使用。

提高对比度

在低光照条件下，可以通过检测物体偏振的角度来改善对比度。上面的例子展示了如何在低光下通过常规成像来改善对比度。

划痕检测

与应力检测类似，使用传统成像很难识别某些缺陷和划痕。为了帮助识别表面缺陷，偏振成像可用于检测透明材料上的划痕。

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