偏振是光能如何傳播的一種特性。在偏振中，光的狀態(tài)會(huì)反復(fù)改變；事實(shí)上，每當(dāng)光被反射或通過某物時(shí)，其偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。

在機(jī)器視覺領(lǐng)域眾所周知的是，可以使用偏振技術(shù)來濾除發(fā)光表面的眩光。其實(shí)除了這項(xiàng)應(yīng)用外，還有很多其他應(yīng)用也是偏振技術(shù)能夠勝任的。

炫光和反射             

圖1顯示了偏振鏡的一種典型應(yīng)用，其使用了一個(gè)偏振光源和放置在相機(jī)前面的另一個(gè)偏振鏡。

圖1：偏振鏡的典型應(yīng)用，使用一個(gè)偏振光源和放置在相機(jī)前面的另一個(gè)偏振鏡

任何鏡面反射，如藥片氣罩包上的炫光（見圖2）都可以通過偏振鏡減少或消除，從而能更好地看到下面的藥片。當(dāng)然，對(duì)氣罩包表面進(jìn)行清晰成像（減少鏡面反射或類鏡面反射）這類應(yīng)用，并不是偏振技術(shù)的唯一應(yīng)用。

圖2：使用圖1中的偏振鏡設(shè)置，可以減少或消除鏡面反射，比如消除圖中所示的藥片氣罩包上的炫光，從而能更容易地看到下面的藥片

圖3顯示了一個(gè)圓罐上的條碼，圓罐的光亮表面使條碼下的字母數(shù)字無法讀取。使用正交偏振鏡后，能很容易地讀取這些字母數(shù)字，并且不會(huì)使圖像的其余部分變暗。

圖3：圓罐子上的條碼圖像。左側(cè)圖像中，條碼下的打印號(hào)碼不可讀；右側(cè)圖像中，使用正交偏振鏡后，打印號(hào)碼清晰可見

光的偏振度可以根據(jù)零件表面材料和入射角變化，以適應(yīng)不同的應(yīng)用。例如，圖4顯示了以直角照射由兩個(gè)閃光金屬表面形成的角反射器的光。如圖所示，光線的二次反射引起圖像旋轉(zhuǎn)。如果入射光在-45°處偏振，則反射后，光在+45°處偏振。為了抑制鏡面反射，第二個(gè)偏振鏡需要與第一個(gè)平行。示例中的漫射光變?yōu)槿テ瘢虼丝梢姟?/span>

圖4：閃光零件上的二次反射（a）。平行偏振光圖像抑制額外反射（b）

薄涂層、厚度變化、應(yīng)變效應(yīng)             

圖5顯示了金屬表面上的一條透明膠帶。左圖顯示的是低對(duì)比度的可見膠帶，右圖顯示的是通過偏振使膠帶更加突出。

圖5：使用偏振光突出金屬表面的膠帶

偏振技術(shù)也可以使邊緣更加突出，如圖6所示。左圖中，幾乎看不到透明塑料尺上的一條透明膠帶的邊緣在哪里。右圖中，使用不同的偏振后，透明膠帶的邊緣明顯可見。

圖6：左圖中，位于透明塑料尺上的透明膠帶的邊緣幾乎不可見；右圖中，由于邊緣反射的漫射性質(zhì)，偏振能使透明膠帶的邊緣格外突出

塑料零件（如圖7中的蓋子）通常包含可以通過偏振顯示的應(yīng)力，這有助于識(shí)別容器的潛在破裂。

圖7：偏振光使塑料蓋中的應(yīng)力線突顯

偏振效果也隨著塑料上涂層或厚度的變化而變化（見圖8）。在圖8中，左圖中尺子厚度的變化并不明顯；但在右圖中，只要偏振發(fā)生變化，應(yīng)力線就會(huì)突然變化，表明尺子的機(jī)械完整性發(fā)生變化，或是在這種情況下，塑料的厚度發(fā)生了變化。

圖8：左圖顯示了塑料尺中間的一條應(yīng)力線；右圖顯示使用不同的偏振光后，由于厚度的變化，該應(yīng)力線突然停止

坡度變化

也許鮮為人知的是，偏振還可以幫助確定一個(gè)表面的坡度和傾斜度。使用偏振技術(shù)突出顯示坡度需要圖1所示的設(shè)置，設(shè)置中的最大區(qū)別是：當(dāng)使用正交偏振鏡阻擋簡單的鏡面反光時(shí)，最好保持偏振光源和相機(jī)（鏡頭上裝有偏振鏡）彼此靠近，并且接近零件表面的法線。通過讓光源和觀察點(diǎn)靠近，光的偏振相對(duì)反射的變化相對(duì)較小，因此相機(jī)上的偏振鏡（分析器）可以通過與照明偏振鏡正交來最有效地抑制影響成像效果的光。這種方法能有效地阻擋偏振的鏡面反射光，并讓漫射非偏振光通過。

為了用偏振技術(shù)來突出斜面上的特征，從斜面表面反射的光必須在檢測區(qū)域偏振。要做到這一點(diǎn)，需要明場照明來照亮整個(gè)表面。

圖9：用一個(gè)較寬的漫射光源照亮圖3中圓罐上的條碼，在條形碼上提供均勻明亮的反射

在圖9給出的案例中，使用一個(gè)較寬的漫射光源照亮了圖3中圓罐上的條碼，并沒有使用偏振光源。這種明場照明方法通常用于有光澤的表面，目的是提供一個(gè)明亮的照明表面，用于查找缺陷、打印或其他表面特征；當(dāng)有光澤的表面具有很多形狀時(shí)（會(huì)導(dǎo)致很多亮區(qū)域和暗區(qū)域），這是一種常用的方法。沒有有光澤的表面，反射光將無法保持偏振，也無法用于觀察坡度的變化。

常見的亮場照明工具包括漫射光源（如燈箱）、相機(jī)前面的同軸漫射光源、漫射環(huán)形光源或光帳篷（有時(shí)稱為陰天照明器）。   

圖10中顯示了使用燈箱照明的亮場照明圖。光照方向（燈箱）和分析儀方向（相機(jī)）之間的角度差越大，光的偏振狀態(tài)相對(duì)于反射的變化就越大——這是橢球儀等先進(jìn)儀器用于分析薄膜涂層的一種技術(shù)。

圖10：使用亮場配置完全照亮裸金屬表面，反射光的偏振度隨表面坡度的變化而變化

大角度反射與圖4中的二次反射不同，其中偏振旋轉(zhuǎn)90°并保持線偏振，這是因?yàn)楹笙蚍瓷涑洚?dāng)法向入射反射。圖10表示單一反射，光源和相機(jī)相對(duì)于零件的位置，應(yīng)該使整個(gè)表面看起來明亮。初始線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，偏振隨光入射和出射入射平面的角度而變化。通過旋轉(zhuǎn)相機(jī)前面的偏振鏡，可以看到這種偏振的變化。

圖11：從左到右，依次是從平行偏振到正交偏振，偏振角的變化突出了坡度的變化，照明角度沒有變化

圖11顯示了在一個(gè)略微彎曲的裸金屬板零件上，觀察到的光的幾種不同偏振狀態(tài)。左起第一張圖：可以看到整個(gè)零件的光照水平幾乎沒有變化；第二張圖：將相機(jī)上看到的偏振改變約45°，圖像從頂部到底部都發(fā)生變化，但從頂部到中間的變化不大；第三張圖：進(jìn)一步改變在相機(jī)中看到的偏振，顯示出中間部分有一個(gè)非常明顯的斜坡；第四張圖：將零件反轉(zhuǎn)，圖像中的明暗也跟著反轉(zhuǎn)，因?yàn)槠露仁欠聪虻摹Ｔ谶@些圖像中，除了相機(jī)看到的偏振變化外，沒有其他變化。  

總結(jié)

偏振為機(jī)器視覺照明系統(tǒng)提供了額外的、有時(shí)甚至是獨(dú)特的能力。與任何照明一樣，偏振并不能解決所有問題，但是對(duì)于多次反射、鏡面反射、薄涂層或厚度變化、應(yīng)變效應(yīng)或是很難察覺細(xì)微坡度變化等應(yīng)用，偏振可以說是機(jī)器視覺照明工具箱中的一件利器。