偏振(zhen)成像(xiang)的基本(ben)原理和優點(dian)

通過空間校(xiao)正，線掃描偏振相(xiang)機(ji)可以探(tan)測(ce)到(dao)雙折射、應力、表面粗(cu)糙度以及常(chang)規成像無法檢測(ce)到(dao)的(de)物理特性。

光有三個(ge)基本特性：強(qiang)(qiang)度(du)、波長和偏振(zhen)(zhen)。今天幾乎所有的相(xiang)機(ji)都是為單色(se)(se)或(huo)彩色(se)(se)成像(xiang)而(er)設計的。單色(se)(se)相(xiang)機(ji)用(yong)于(yu)(yu)(yu)測量在像(xiang)素級寬帶光譜上的光強(qiang)(qiang)，而(er)彩色(se)(se)或(huo)多光譜相(xiang)機(ji)則(ze)用(yong)于(yu)(yu)(yu)檢測紅、綠、藍和近紅外波段的光強(qiang)(qiang)。同(tong)樣，偏振(zhen)(zhen)照相(xiang)機(ji)用(yong)于(yu)(yu)(yu)在多偏振(zhen)(zhen)狀態下(xia)捕捉光的強(qiang)(qiang)度(du)。

根據 AIA公司的一(yi)項市場調查，機(ji)(ji)器視(shi)(shi)覺(jue)全球市場在2015年達到7.6億美元，其(qi)中80%來(lai)自(zi)單(dan)色相(xiang)機(ji)(ji)，20%來(lai)自(zi)彩色相(xiang)機(ji)(ji)。雖(sui)然偏(pian)振(zhen)片是機(ji)(ji)器視(shi)(shi)覺(jue)中常用的一(yi)種，但到目前為止(zhi)還沒(mei)有線掃描偏(pian)振(zhen)相(xiang)機(ji)(ji)用于捕捉多偏(pian)振(zhen)狀態的圖像。

偏(pian)振提供了許多好處(chu)，它不僅檢測(ce)幾何和表面，而(er)且測(ce)量無法用常規(gui)成像(xiang)(xiang)檢測(ce)的(de)物理(li)性(xing)質(zhi)。在機器視覺中，它可以(yi)用來增強(qiang)難以(yi)區(qu)分的(de)物體的(de)對比度。與相位檢測(ce)技(ji)術(shu)相結合，偏(pian)振成像(xiang)(xiang)的(de)成像(xiang)(xiang)靈敏感比傳統成像(xiang)(xiang)方法高(gao)得多。

偏振濾波技術

就(jiu)像(xiang)人類的(de)眼睛(jing)一樣(yang)，硅不能決(jue)定光的(de)偏振(zhen)。因此，在圖(tu)(tu)像(xiang)傳感器(qi)前面需(xu)要一個偏振(zhen)濾(lv)(lv)波器(qi)。圖(tu)(tu)像(xiang)傳感器(qi)用濾(lv)(lv)波器(qi)定義的(de)偏振(zhen)狀(zhuang)態來檢(jian)測光的(de)強度。

大多數常見的偏振(zhen)濾波器(qi)可分(fen)為(wei)三種類型：時間(jian)分(fen)割(ge)(ge)、振(zhen)幅(fu)分(fen)割(ge)(ge)或焦(jiao)平面分(fen)割(ge)(ge)。在時間(jian)分(fen)割(ge)(ge)的偏振(zhen)測量中(zhong)，隨著偏振(zhen)元件(如(ru)液晶、偏振(zhen)片(pian)或光彈(dan)性調(diao)制(zhi)器(qi))的旋轉(zhuan)或調(diao)制(zhi)，數據是按時間(jian)順序獲(huo)得(de)的，其速(su)度受到調(diao)制(zhi)器(qi)的限制(zhi)。在今天的許多應用中(zhong)，通常需要100 kHz左右的高(gao)線速(su)；時間(jian)分(fen)割(ge)(ge)濾波器(qi)有(you)其固(gu)有(you)的局限性，而且由于設計復(fu)雜(za)，成(cheng)本(ben)也很(hen)高(gao)。

對于振幅分割的濾波器(qi)而(er)言，光被分成不同(tong)的光路，其中每個光路都(dou)有一個獨(du)立(li)的傳感器(qi)。棱(leng)鏡是(shi)最(zui)常(chang)用的部件，但是(shi)通常(chang)很(hen)難實現很(hen)高的裝配精度，而(er)且，通常(chang)還需要較大(da)的空間用來安(an)裝棱(leng)鏡。

對(dui)于(yu)焦(jiao)平面分(fen)割濾光器，在(zai)(zai)焦(jiao)平面上放(fang)置一個(ge)微(wei)偏(pian)振(zhen)片陣列來(lai)定(ding)義(yi)不(bu)同的(de)偏(pian)振(zhen)態(tai)。該(gai)技術適用于(yu)緊(jin)湊、穩定(ding)、低成(cheng)本的(de)設計。然而，對(dui)于(yu)區域掃描成(cheng)像(xiang)儀(yi)來(lai)說(shuo)，由于(yu)每個(ge)像(xiang)素只(zhi)提供一個(ge)自然偏(pian)振(zhen)狀態(tai)的(de)數據，因此在(zai)(zai)空間分(fen)辨率(lv)上存在(zai)(zai)固有(you)的(de)缺點。這(zhe)種算法被用來(lai)對(dui)其他算法進行插值(zhi)。

傳感器體系結構

一個(ge)可用(yong)的(de)(de)(de)(de)偏(pian)振相機(ji)包含一個(ge)具有四線架構(gou)的(de)(de)(de)(de)CMOS傳感器。由(you)納(na)米線組成(cheng)的(de)(de)(de)(de)微偏(pian)振器陣列被(bei)放置(zhi)在硅上，納(na)米線的(de)(de)(de)(de)螺(luo)距(ju)為140nm，寬度(du)(du)為70nm，而在前三個(ge)線性(xing)陣列上，偏(pian)振濾光片的(de)(de)(de)(de)取向分(fen)別為0°、90°和135°。過濾光的(de)(de)(de)(de)強度(du)(du)由(you)底(di)層的(de)(de)(de)(de)陣列記錄。第四個(ge)通道是(shi)一個(ge)未經濾波的(de)(de)(de)(de)陣列，它捕獲的(de)(de)(de)(de)總強度(du)(du)相當于一幅傳統圖像(xiang)，而有源陣列之間的(de)(de)(de)(de)間隙減(jian)少了空間串擾。

光(guang)是電(dian)磁波。它的(de)電(dian)場、磁場和傳(chuan)播方(fang)(fang)(fang)向(xiang)是正交的(de)。偏(pian)振(zhen)方(fang)(fang)(fang)向(xiang)被定義為(wei)電(dian)場方(fang)(fang)(fang)向(xiang)。電(dian)場方(fang)(fang)(fang)向(xiang)垂直于(yu)納(na)米線振(zhen)蕩(dang)方(fang)(fang)(fang)向(xiang)的(de)光(guang)將會(hui)穿過濾(lv)光(guang)片，而(er)平(ping)(ping)行于(yu)納(na)米線振(zhen)蕩(dang)方(fang)(fang)(fang)向(xiang)的(de)光(guang)將會(hui)被濾(lv)除(chu)。當(dang)線掃描相(xiang)機用(yong)反射結構與腹板成一定角度安裝時，0°通道(dao)傳(chuan)輸(shu)s偏(pian)振(zhen)光(guang)(偏(pian)振(zhen)方(fang)(fang)(fang)向(xiang)垂直于(yu)入射平(ping)(ping)面)，而(er)90°通道(dao)傳(chuan)輸(shu)p偏(pian)振(zhen)光(guang)(偏(pian)振(zhen)方(fang)(fang)(fang)向(xiang)平(ping)(ping)行于(yu)入射平(ping)(ping)面)。假(jia)設相(xiang)機的(de)輸(shu)出(chu)(chu)i0，i90，i135，和iUF分(fen)別從0°、90°、135°偏(pian)振(zhen)和未濾(lv)波通道(dao)輸(shu)出(chu)(chu)，則s偏(pian)振(zhen)態(tai)和p偏(pian)振(zhen)態(tai)的(de)強度分(fen)別為(wei)：

使(shi)(shi)用微偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)器濾(lv)鏡的線掃(sao)描(miao)(miao)和(he)面掃(sao)描(miao)(miao)之(zhi)間(jian)的關鍵區別是每個(ge)像素的原始偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)狀態(tai)(tai)數(shu)據(ju)的數(shu)量(liang)。區域掃(sao)描(miao)(miao)成像儀(yi)通常使(shi)(shi)用以(yi)所謂的超像素格式排列(lie)的0°，45°，90°和(he)135°偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)濾(lv)光片(pian)，其中每個(ge)像素捕(bu)獲一(yi)個(ge)原始偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)態(tai)(tai)。然(ran)后使(shi)(shi)用插值算法根據(ju)來自相鄰像素的信息計算另(ling)外三個(ge)狀態(tai)(tai)。由于空間(jian)分辨率的損失(shi)，導致數(shu)據(ju)精度不高。另(ling)一(yi)方面，對于線掃(sao)描(miao)(miao)相機，每個(ge)偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)態(tai)(tai)都有100%的采樣(yang)。物理測量(liang)了多(duo)個(ge)自然(ran)偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)態(tai)(tai)數(shu)據(ju)。納米線微偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)器濾(lv)光片(pian)的對比度如圖(tu)2所示。

根據波(bo)長的不同，對比度在(zai)30~90之間。在(zai)未來的設計中可以實現更高的對比度。

Stokes參數(shu)，S0，S1，S2等(deng)通常被用來分析(xi)材料的物理(li)性(xing)質(zhi)。差分偏振(zhen)、線性(xing)偏振(zhen)度(DoLP)和(he)偏振(zhen)角(jiao)(AOP)都是(shi)有用的參數(shu)。

圖像可視化

偏(pian)振(zhen)圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)與基于強度的(de)傳統圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)基本不相(xiang)關。在視(shi)覺系統中，可以在每(mei)個特定的(de)偏(pian)振(zhen)狀(zhuang)態或其組(zu)合中實(shi)現數據處理。考慮(lv)到人類無法看到偏(pian)振(zhen)圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)，所以這(zhe)是很有(you)用的(de)。彩(cai)色編碼的(de)偏(pian)振(zhen)圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)可能(neng)是最(zui)受(shou)歡迎(ying)的(de)一種，因為(wei)它們(men)不僅可以提供視(shi)覺感知，而(er)且可以在彩(cai)色成像(xiang)(xiang)(xiang)中利(li)用標準的(de)數據結構和傳輸協(xie)議。

圖3顯示(shi)了由偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)相機捕(bu)獲的塑(su)料標尺的彩(cai)色編碼偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)圖像，其(qi)中RGB分別(bie)代(dai)表0°(s-偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen))、90°(p-偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen))和135°偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)狀態。還比較了由未濾波信道捕(bu)獲的常規圖像。顯然(ran)，偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)成像顯示(shi)的是塑(su)料尺內部積累的應力(li)，這是常規成像無法(fa)檢測到的。

可探測性

隨著(zhu)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)要求的(de)(de)(de)線速達到100 kHz左右和(he)物(wu)體分(fen)辨率縮小到亞微米，機器視覺行業在(zai)可檢(jian)(jian)測(ce)(ce)性(xing)方(fang)面面臨著(zhu)許多挑戰。不同的(de)(de)(de)技術(shu)被陸續開發(fa)，如時(shi)間延遲積分(fen)，以提高信(xin)噪比，以及彩色(se)和(he)多光譜成(cheng)像，以獲得光譜特性(xing)。然而(er)，基于材料物(wu)理(li)特性(xing)的(de)(de)(de)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)，則需要更高的(de)(de)(de)對(dui)比度(du)。偏振在(zai)這里起著(zhu)關鍵的(de)(de)(de)作用，因為它對(dui)表面或界面上(shang)的(de)(de)(de)任(ren)何變化(hua)都非常敏(min)感。由于相位(wei)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)技術(shu)，基于偏振的(de)(de)(de)成(cheng)像比基于強(qiang)度(du)的(de)(de)(de)成(cheng)像更加靈敏(min)。

透(tou)射(she)(she)結構通(tong)常用(yong)于(yu)(yu)透(tou)明(ming)材料(liao)，如玻璃和(he)薄膜。通(tong)常偏振(zhen)(zhen)器(qi)被(bei)用(yong)來將(jiang)光源轉(zhuan)換成線(xian)偏振(zhen)(zhen)光。當線(xian)偏振(zhen)(zhen)光穿(chuan)過物(wu)體(ti)時(shi)，由于(yu)(yu)物(wu)體(ti)的(de)雙折射(she)(she)，通(tong)常會發生橢(tuo)圓偏振(zhen)(zhen)。可選補償(chang)器(qi)(如λ/4板)也(ye)可用(yong)于(yu)(yu)光路中。最后由偏振(zhen)(zhen)相機拍攝圖(tu)像。偏振(zhen)(zhen)器(qi)和(he)補償(chang)器(qi)的(de)角度(du)可以調整，以達到最佳的(de)性能(neng)。反射(she)(she)結構(圖(tu)5)用(yong)于(yu)(yu)不透(tou)明(ming)材料(liao)。來自(zi)半導體(ti)和(he)金屬等許多材料(liao)的(de)反射(she)(she)光與偏振(zhen)(zhen)有關。

偏(pian)振(zhen)(zhen)器將光(guang)源轉換為線偏(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)。當線性偏(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)從物體反射出來時，反射光(guang)一(yi)般會變成橢圓(yuan)(yuan)偏(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)。通(tong)過旋轉偏(pian)振(zhen)(zhen)片和補(bu)償器的角度，可以(yi)獲得到達(da)攝(she)像機的線偏(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)。它的結構類(lei)似于橢圓(yuan)(yuan)儀(yi)(yi)。不同的是(shi)(shi)，相(xiang)機不是(shi)(shi)使用(yong)旋轉分析儀(yi)(yi)，而是(shi)(shi)同時捕獲不同的偏(pian)振(zhen)(zhen)態，具(ju)有橫向空間分辨率。光(guang)是(shi)(shi)線狀光(guang)源，而不是(shi)(shi)點光(guang)源。

例如，在任何一種(zhong)結(jie)構中(zhong)，當對象的(de)物理屬性因缺陷而發生(sheng)變(bian)(bian)化時(shi)，該(gai)變(bian)(bian)化改變(bian)(bian)的(de)偏(pian)振狀態與對象的(de)其他狀態不同。然后由高靈敏度的(de)偏(pian)振相機檢(jian)測這(zhe)一變(bian)(bian)化。

機械力(li)(li)導致雙(shuang)折(zhe)射，這會改變透射光的(de)偏振狀(zhuang)態(tai)，就像在一副玻璃上引起應力(li)(li)的(de)螺(luo)釘中(zhong)所看(kan)到的(de)那樣。從未經過(guo)濾(lv)的(de)通道中(zhong)可以看(kan)到，常規成像無法檢測(ce)到這種(zhong)應力(li)(li)。

注意表面上有(you)劃痕的電(dian)子線路圖像。在偏(pian)振(zhen)圖像中，由于對比度(du)增(zeng)強，表面缺陷更加(jia)明(ming)顯。

線(xian)掃描偏(pian)(pian)振成像(xiang)結合了(le)橢圓(yuan)偏(pian)(pian)振儀的(de)(de)強大功能和真(zhen)正的(de)(de)橫(heng)向(xiang)分辨率。橢圓(yuan)偏(pian)(pian)振技(ji)術是(shi)20世紀70年代發展(zhan)起來的(de)(de)一種非常靈敏(min)的(de)(de)光學(xue)技(ji)術，其垂直(zhi)分辨率僅為納米(mi)的(de)(de)幾分之一。它被廣泛應用(yong)(yong)于(yu)測定(ding)材料(liao)的(de)(de)物理性(xing)(xing)質(zhi)，如薄膜(mo)厚度、材料(liao)組成、表(biao)面(mian)形貌、光學(xue)常數、甚至晶體(ti)無(wu)序性(xing)(xing)。后來發展(zhan)起來的(de)(de)成像(xiang)橢圓(yuan)儀增加了(le)一定(ding)程度的(de)(de)橫(heng)向(xiang)分辨率。然而(er)，由于(yu)使用(yong)(yong)的(de)(de)是(shi)點光源(yuan)，它的(de)(de)視(shi)場(chang)很(hen)小(微米(mi)-毫(hao)米(mi))，因(yin)此只適用(yong)(yong)于(yu)顯(xian)微鏡。采用(yong)(yong)線(xian)性(xing)(xing)傳感器(qi)和線(xian)性(xing)(xing)光源(yuan)的(de)(de)線(xian)掃描偏(pian)(pian)振成像(xiang)克服了(le)這一限制。

布魯斯特角成像

橢(tuo)圓儀的入射(she)角一般選擇接(jie)近布魯斯特(te)角

其中n是物體(ti)的折射率，與波(bo)長(chang)有關。對于玻璃，n≈1.52和θB≈56°，硅，n≈3.44和θB≈74°，波(bo)長(chang)為633 nm。

在(zai)(zai)布魯斯特(te)角(jiao)處，p偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)的(de)(de)反(fan)(fan)射最(zui)(zui)小，s-偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)態和p-偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)態反(fan)(fan)射率(lv)的(de)(de)差異最(zui)(zui)大，這(zhe)給(gei)出了(le)最(zui)(zui)高的(de)(de)靈敏度。當(dang)非偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)在(zai)(zai)布魯斯特(te)角(jiao)下入射，相機(ji)安裝在(zai)(zai)鏡面角(jiao)度時(shi)，p通道捕(bu)獲暗(an)信(xin)號，而s通道仍然從反(fan)(fan)射中捕(bu)獲正(zheng)常信(xin)號。如果完(wan)全的(de)(de)p偏(pian)(pian)振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)是(shi)在(zai)(zai)布魯斯特(te)角(jiao)下入射的(de)(de)，安裝在(zai)(zai)同一(yi)角(jiao)度上(shang)的(de)(de)照相機(ji)會捕(bu)捉到一(yi)個(ge)黑暗(an)的(de)(de)背景。表面上(shang)任(ren)何(he)因缺陷或(huo)雜質等而產生的(de)(de)偏(pian)(pian)差，都會導致區域明亮。然后可以獲得(de)高對比(bi)(bi)度的(de)(de)圖(tu)像(xiang)。但是(shi)行掃(sao)描的(de)(de)一(yi)個(ge)挑戰是(shi)，當(dang)視場比(bi)(bi)傳感器的(de)(de)長度大得(de)多(duo)時(shi)，就(jiu)無法(fa)滿足這(zhe)種情況了(le)。

總之，線掃描偏振(zhen)成像結合了高靈敏度(du)的(de)(de)偏振(zhen)相位(wei)檢(jian)測(ce)和真正的(de)(de)橫(heng)向(xiang)分辨率，為(wei)下一代視覺系統提供了在(zai)許(xu)多需要的(de)(de)應(ying)用(yong)中的(de)(de)可檢(jian)測(ce)性。

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