偏振成像的基本原理和优点.docx

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1、通过空间校正.线扫描偏振相机可以探测到双折射、应力表面粗糙傻以及常现成像无法检测到的物埋特性,光有三个基本特性：强度.波长和偏振.今天几乎所有的相机都是为单色或彩色成像而设计的一用色相机用于测量:在像素汲宽带光谱上的光强.而彩色或多光沿相机则用于检测红、绿、旗和近红外波段的光强。同样，体振照相机用于在多儡振状态下捕捉光的强度.根据AIA公司的一项市场调查,机器视觉全球市场在2015年达到7.6亿美元，其中80%来自单色相机,20%来自彩色相机.被然偏振片是机器视觉中常用的一种.但到目前为止还没有线扫描偏振相机用于捕捉多偏振状态的图像.偏报提供了许多好处,它不仅检测几何和表面.而且测Ift无法用

2、常规成像检测的物理性痂.在机器视觉中，它可以用来增强难以区分的物体的对比度.与相位检测技术和结台，儡振成像的成像灵敏感比传统成像方法高御多.偏振谑波技术就像人类的眼附一样，硅不能决定光的体振.因此，在图像传出器前面谛要一个偏振谑波器。图像传播器用谑波器定义的偏振状态来检测光的强度,大多数常见的体振泄波器可分为三种类型：时间分割、振幅分割或焦平面分割.在时间分别的偏振测卡中，由着偏振元件（如液晶、儡振片或光弹性调制涔）的旋转或调制，数据是按时间顺序获得的，其逑度受到调制罂的限制在今天的许多应用中,通常儒要100kHZ左右的高线速：时间分割涉波涔有其囚有的局限性,而且由于设计复杂，成本也很高.Ta

3、b1.e1.CotnpariBOf)OfPoterUAtkxiFmefTechno1.oesOfT1.Mrto1.ooofAmp1.NMd0Mi8RofFoc1.HmmIPrindPKOU*Kt11u96GMpoU11zu11m11fTtoteornoMd.1.MUMF6rrOfMMPMMcp*haWpMMiMmor.UrpOJrMrfpUCd8pu(toKee11P0U2MentM.Sp4dIEE如tM9M11Z3me9114NMntMmRobMtMMUw1.o2CoaFIO*ArQ对于振福分刈的泄波器而言，光被分成不同的光路，其中好个光路都有一个独立的传感器。棱镜是最常用的部件,但是通常很

4、难实现很高的装配精度，而且，通常还需要较大的空间用来安装棱镜.对于点平面分割沌光器，在烬平面上放置一个微偏振片阵列来定义不同的的振态该技术适用于紧潴、楞定、低成本的设计.然而,对于区域扫描成像仪来说.由于每个像素只提供一个自然偏振状态的数据，因此在空间分辨率上存在固有的缺点。这种算法被M1.来对其他算法进行插值,传感器体系结构一个可用的偏振相机包含个具有四线架构的CMOS传感器.由纳米线组成的微偏振器阵列被放置在硅上，纳米线的螺距为140nm.宽度为70nm,而在前三个线性阵列上，偏振滤光片的取向分别为0、90和135,过范光的强度由底层的阵列记录,第四个通道是一个未经池波的阵列，它捕获的总强

5、度相当于一福传统图像，而有滁阵列之间的间隙减少了空间串扰.Po1.arizationState光是电隧波.它的电场、磁场和传播方向是正交的.馆振方向被定义为也场方向。电场方向垂出于纳米线振荡方向的光将会穿过谑光片，而平行于纳米线振荡方向的光将会被滤除。当雄扫描相机用反射结构与眼板成一定角度安装时，0。通遒传输s偏振光（偏振方向垂直于入射平面）而90通道传谕p偏振光（偏振方向平行于入射平面）.钱设:相机的输出i,i90.i1.35.和IUF分别从0、90，、135,偏振和未港波通道输出。使用微偏振器泄镜的线扫描和面扫描之间的关犍区别是每个像素的原始偏振状态数据的数Ih区域扫描成像仪通常使用以所谓

6、的超像素格式排列的0,45,90。和135。偏振泄光片，其中每个像素捕获一个原始的振态.然后使用插值算法根据来自相邻像索的信息计算另外三个状态.由于空间分辨率的榻失.导致数据精度不高.另一方面，对于魏扫描相机，每个偏振态都有100%的采样.物理测量了多个自然偏振态数据,纳米线微偏振器滤光片的时比段如图2所示.O=Eass三80IIIIIIIIIIIII425450475500525550575600625650675700725Wave1.ength(m)根据波长的不同，对比度在3090之间，在未来的设计中可以实现更符的对比度.StokeS参数,SO.SI.S2等通常被用来分析材料的物理性质.

7、差分偏振、线性偏振度(Do1.P)和偏振角(AoP)都是有用的参数.图像可视化偏振图像与基于强度的传统图像基本不相关。在视觉系统中，可以在用个特定的偏振状态或其组合中实现数据处理.考虑到人类无法看到偏振图愎,所以这是很彳!用的.彩色编码的偏振图像可能是最受:迎的一种，因为它们不仅可以提供视觉感知,而且可以在彩色成像中利用标准的数据结构和传输擀议.三三11-三三三行三CfW1.4WOwQe-1.h三士一三二三三-G三图3显示了由偏振相机捕获的塑料标尺的彩色编码的振图像，其中RGB分别代表（HS-偏振）、903p-偏振）和135偏振状态.还比较了由未泄波信道捕获的常规图像.显然，假振成像显示的是塑

8、料尺内部积素的应力，这是常规成像无法检测到的.可探测性随着检测要求的线速达到100kHZ左右和物体分辨率缩小到亚微米.机器视觉行业在可检测性方面面临若许多挑战，不同的技术被隔续开发，如时间延迟积分，以提高信噪比，以及彩色和多光谱成像，以获得光谱特性。然而，基于材料物理特件.的冷测,则需要更高的对比更性抿在这也起需关键的作用，因为它对表面或界面上的任何变化都非常收感.他于相位检测技术基于偏振的成像比基于强度的成像更加灵腋.1.ight透射结构通常川F透明材料,如玻璃和薄膜.通常偏振器被用来将光源转换成线偏振光,当线偏振光穿过物体时，由于初体的双折射，通常会发牛.肺即儡振。可选补偿零（如入/4板）

9、也可用于光路中.最后I1.1.偏振相机拍摄图像偏振器和补偿零的角度可以四整.以达到最佳的性能.反射结构用于不透明材料.来自半导体和金W等许多材料的反射光与偏振有关。Object偏振器将光源转换为规假振光。当线性偏振光从物体反射出来时，反射Jt一般会变成椭圈偏振光。通过版转的振片和补借器的珀度，可以获得到达摄像机的线儡振光.它的结构类似于仲B1.仪.不同的是，相机不是使用旋转分析仪,而是同时辅获不同的偏撮态，具彳横向空间分辨率.光是线状光源，而不是点光源.例如,在任何一种结构中,当对象的物理属性因缺陷而发生变化时,该变化改变的偏振状态与对象的其他状态不同.然后由M以败度的偏振相机检测这一变化.机

10、械力导致双折射,这会改变透射光的偏振状态.就像在一副玻璃上引起应力的蝶仃中所看到的那样.从未羟过逑的通道中可以看到，常现成像无法检测到这种应力。注遨表面上有划痕的电子线路图像.在偏振图像中，由于对比僮增强，表面缺陷更加明显。线扫描偏振成像结合了椭圆偏振仪的强大功能和真正的横向分册率.椭网的振技术是20世纪70年代发展起来的一种非常灵敏的光学技术，其垂点分辨率仅为纳米的几分之一。它被广泛应用于测定材料的物理性质，如薄膜厚度、材料组成、表面形貌、光学常数、甚至晶体无序性。后来发展起来的成像椭即仪增加了一定程度的横向分辨率.然而，由于使用的是点光源,它的视场很小（微米-毫米）因此只培用于显微镜.采用

11、线性传运器和线性光源的线扫描偏振成像克服了这一限制.布斯特用成像帏圆仪的入射角一般选择接近布件斯特角=arctan(n),其中n是物体的折射率，与波长有关.对于玻璃，nT.52和B=56,硅，n=3.44411B=74,波长为633nm,在布竹斯特角处，P偏振光的反射最小，S偏振态和P-偏振态反射率的差异爆大，这给出了最高的灵敏度.当非偏振光在布鲁斯特角下入射,相机安装在镜面角度时,P通道捕获暗信号.而S通道仍然从反射中捕获正常侑号.如果完全的P偏振光是在布鲁斯特角下入射的，安装在同一角度上的照相机会捕捉到一个黑暗的背景。表面上任何因玦陷或杂质等而产生的偏差，都会书诙区域明亮，然后可以获汨高对比度的图像.但是行扫描的一个挑战是当视场比传感器的长度大得多时,就无法满足这种情况了.总之.纹扫描倒报成像结合了高灵敏度的偏振相位检测和真正的横向分辨率.为下一代视觉系统提供了在许多需要的应用中的可检刈性.