機器視覺成像中偏振片的應用

傳統工業檢測利用人眼對產品外觀進行觀察并根據對良品/次品的檢測標準，來區分產品的好壞。而自動化行業則利用機器視覺成像，并對圖像進行軟件處理分析，利用PLC控制Robot對產品進行剔除篩選。在利用自動化技術對產品進行檢測時，圖像成為整個檢測過程中最為關鍵的一步。

在成像過程中，為了得到一幅均勻性好，對比度高的圖片，在視覺成像時，會用機器視覺光源進行打光，以便得到便于軟件處理的圖片。選用合適的光源，一般情況下都能得到一副好的圖像，但有時由于產品的特殊材質或特殊的結構而很難得到一副好的圖像。

例如光源照在光滑的包裝袋上，光滑的包裝袋表面在一定角度下反射形成的眩光在成像中是有害的，使我們看不到清晰圖像。能夠濾除反光的濾鏡叫做偏振鏡。傳統消除反光的做法是在光源上加偏振片，然后把偏振鏡裝到鏡頭的前端，仔細旋轉偏振鏡，使得有害眩光減至最小甚至消失，這樣就能拍攝出沒有眩光的照片了。

傳統的方式有個不便之處是鏡頭有很多規格尺寸，如果偏振鏡與鏡頭規格不匹配，則安裝不上造成使用不便，購買過多的偏振鏡也導致成本增加并難以管理。

原理

光是一定波段范圍的電磁波，是由與傳播方向垂直的電場和磁場交替轉換的振動形成的。我們的眼睛能夠看到的只是電磁波中的一個很小的波長范圍，即380納米到780納米左右，這個范圍的電磁波稱為可見光。電磁波的振動方向與傳播方向是垂直的，我們稱之為橫波。橫波就必然有一個偏振的問題。由于和光學發展歷史有關的原因，人們常把磁矢量的方向叫做偏振方向，并把磁矢量的傳播方向所決定的平面叫做偏振面。

自然光：雖然光從本質上來說是偏振的，但是自然界的大多數情況下，光表現出非偏振的。這是因為我們所看到的自然光（如太陽光，燈光）是由許多光波串組成的。這些光波串中每一串都是偏振的，但是它們的偏振方向是隨機的，不斷變化著的。在我們的觀察時間段里平均后，在任何一個方向上都沒有優勢。這就是自然光，也叫非偏振光。

線偏振光：讓自然光通過一個起偏振器件后，只有一個方向的偏振光能夠通過這個器件，我們就得到了線偏振光。線偏振光的振動方向是確定的。

部分偏振光：如果線偏振光中混有一部分自然光，也就是說，這種光包含著各種方向的偏振光，而在某一方向的上體現出偏振的優勢。這就是部分偏振光。

圓偏振光：這種光的偏振方向是有規律地旋轉著的。而光矢量在旋轉過程中的強度是保持一定的。也就是光矢量是沿著一個圓旋轉的。這就是圓偏振光。在我們的觀察時間段中平均后，圓偏振光看上去是與自然光一樣的。但是圓偏振光的偏振方向是按一定規律變化的，而自然光的偏振方向變化是隨機的，沒有規律的。

橢圓偏振光：這種光的偏振方向也是在規律地旋轉著的，但是它的光矢量在旋轉過程中強度也在變化。也就是光矢量是沿著一個橢圓旋轉的。橢圓偏振光在觀察時間段里平均后的結果與部分偏振光相似。但是與部分偏振光不同，它的偏振方向以及光矢量的大小是按一定規律變化的。

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用偏振濾鏡可以消除水面、玻璃面和其他非金屬表面反射光，這是因為在這些介面上反射光的偏振狀態發生了變化。

光在不同折射率的介質的界面上會發生反射和折射。入射角與反射角、折射角的關系分別服從反射定律和折射定律。在非金屬的界面上，當入射光線與折射光線成直角時，反射光線將是線偏振光，這就是有名的布儒斯特原理。此時的入射角就稱為布儒斯特角。從下圖可以看出，當光線從空氣（介質1，嚴格地說應該是真空）射入介質2時，布儒斯特角的正切值等于介質2的折射率n。由于介質的折射率是與光波長有關的，對同樣的介質，布儒斯特角的大小也是與光波長有關的。以光學玻璃折射率1.4-1.9計算，布儒斯特角大約為54-62度左右。當入射角偏離布儒斯特角時，反射光將是部分偏振光。

圓偏振鏡是由一塊線偏振鏡和一塊四分之一波片組成的。四分之一波片是用一種各向異性介質做成的。光在這種介質中傳播時，可以分解為兩種光矢量相互垂直的線偏振光，一種稱為尋常光線（Ordinary light，O光），另一種稱為非常光線（Extra-ordinary light，E光）。這兩種光在介質中的傳播速度是不同的。當一束線偏振光以適當的方向（即偏振方向與O光、E光方向均成45度）射入這種介質中時，就能分解成強度相等的O光和E光在介質中傳播（如下圖，紅色矢量表示入射偏振光方向，振動著的紅點分別表示O光和E光方向）。

由于O光與E光在各向異性介質中的傳播速度不同，入射時線偏振光分解成的O光與E光是同相位的。經過一段距離的傳播后，O光與E光之間就會產生一定的相位差。

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但是，如果O光與E光之間的位相差不是90度，則合成的光就會是不同橢圓度的橢圓偏振光（或者線偏振光）。下圖列出了幾種不同位相差時的情況。

圓周角是360度，相當于一個波長。上述的90度位相差也就相當于四分之一的波長。如果各向異性介質的厚度正好能在O光與E光之間引起90度的位相差，就能把一定偏振方向的線偏振光“變成”圓偏振光。因此我們稱其為四分之一波片。如果這種介質的厚度引起了180度的位相差，就會使入射的線偏振光“轉過”了90度（下圖）。我們稱其為半波片。前面說過，圓偏振濾鏡就是由線偏振鏡加上一塊四分之一波片組成的，而且，線偏振鏡的偏振方向與四分之一波片的O光（或E光）成45度的。

案例

五金件膠水檢測

檢測五金件上透明膠水的有無，光路大部分會因為光透射的原因造成無法觀察到膠水，而偏振片能消除金屬表面的鏡面反射光，保留因膠水凹凸不平造成的漫反射光，從而能看到膠水被打白的效果。

IC字符檢測

檢測IC類電子產品表面的字符，傳統的檢測方案是利用低角度光檢測，但是這樣一來，樣品表面的鏡面反射光也會對成像造成干擾。但是使用偏振片就可以忽略這種干擾，利用偏振消除產品背景的鏡面反射光，保留字符的漫射光，從而提高字符的對比度。

載帶產品字符檢測

檢測載帶類產品，光路大部分會因為光照到薄膜上而形成反光無法觀察到里面的產品，而偏振片能消除薄膜上的反光，保留能透過薄膜的漫反射光，從而能清晰看到里面的產品及表面字符。

充電頭針腳檢測

檢測充電頭針腳是否歪斜，光路少部分會照到針腳頂端而形成反光無法捕捉到針腳的真實位置，而偏振片能消除針尖上的反光，從而能清晰看到針腳的位置。

藥丸外觀檢測

檢測藥丸的顏色及藥丸是否破損，因包裝材料和藥丸都是光滑的圓弧結構導致反光，對圖像處理造成干擾，而偏振片能消除產品上面的反光，從而能清晰看到藥丸，輕易的能檢測出顏色及破損情況。

編輯：黃飛

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