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偏振鏡光學(xué)原理和在機(jī)器視覺中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2020-05-27 08:50:59 最后更新:2020-11-23 14:39:09 瀏覽次數(shù):5951

有很多機(jī)器視覺檢測(cè)對(duì)象物體的表面會(huì)發(fā)出雜亂的眩光(如拋光金屬表面、煙盒、晶片等),這會(huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量,降低機(jī)器視覺檢測(cè)特征的對(duì)比度。為了減弱或者消除雜散光、眩光等干擾,在很多視覺檢測(cè)、測(cè)量、定位等系統(tǒng)構(gòu)建時(shí),我們?cè)阽R頭前面需要搭配偏振鏡來使用。我們簡(jiǎn)單的看兩幅效果圖,以下圖片是在同樣的時(shí)間,同樣的相機(jī)參數(shù)情況下拍攝的。不同點(diǎn)就在于一個(gè)沒有使用偏振鏡,下面的圖片拍攝時(shí)采用了高質(zhì)量德國(guó)schneider的偏振鏡片。效果之區(qū)別一目了然。


    下面,我們就簡(jiǎn)單的介紹一下偏振鏡的光學(xué)原理和應(yīng)用。

 

    光是一定波段范圍的電磁波,是由與傳播方向垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替轉(zhuǎn)換的振動(dòng)形成的。我們的眼睛能夠看到的只是電磁波中的一個(gè)很小的波長(zhǎng)范圍,即380納米到780納米左右,這個(gè)范圍的電磁波稱為可見光。電磁波的振動(dòng)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(gè)偏振的問題。由于和光學(xué)發(fā)展歷史有關(guān)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(zhì)上來說是偏振的,但是自然界的大多數(shù)情況下,光表現(xiàn)出非偏振的。這是因?yàn)槲覀兯吹降淖匀还猓ㄈ缣柟猓瑹艄猓┦怯稍S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(jī)的,不斷變化著的。在我們的觀察時(shí)間段里平均后,在任何一個(gè)方向上都沒有優(yōu)勢(shì)。這就是自然光,也叫非偏振光。

 

       線偏振光:讓自然光通過一個(gè)起偏振器件后,只有一個(gè)方向的偏振光能夠通過這個(gè)器件,我們就得到了線偏振光。線偏振光的振動(dòng)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(xiàn)出偏振的優(yōu)勢(shì)。這就是部分偏振光。

 

        圓偏振光:這種光的偏振方向是有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)著的。而光矢量在旋轉(zhuǎn)過程中的強(qiáng)度是保持一定的。也就是光矢量是沿著一個(gè)圓旋轉(zhuǎn)的。這就是園偏振光。在我們的觀察時(shí)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(guī)律變化的,而自然光的偏振方向變化是隨機(jī)的,沒有規(guī)律的。

 

        橢園偏振光:這種光的偏振方向也是在規(guī)律的旋轉(zhuǎn)著的,但是它的光矢量在旋轉(zhuǎn)過程中強(qiáng)度也在變化。也就是光矢量是沿著一個(gè)橢園旋轉(zhuǎn)的。橢園偏振光在觀察時(shí)間段里平均后的結(jié)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(guī)律變化的。



        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?yàn)樵谶@些介面上反射光的偏振狀態(tài)發(fā)生了變化。

 

        我們大家都知道,光在不同折射率的介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射和折射。入射角與反射角、折射角的關(guān)系分別服從反射定律和折射定律。在非金屬的界面上,當(dāng)入射光線與折射光線成直角時(shí),反射光線將是線偏振光,這就是有名

的布儒斯特原理。此時(shí)的入射角就稱為布儒斯特角。從下圖可以看出,當(dāng)光線從空氣(介質(zhì)1,嚴(yán)格地說應(yīng)該是真空)射入介質(zhì)2時(shí),布儒斯特角的正切值等于介質(zhì)2的折射率n。由于介質(zhì)的折射率是與光波長(zhǎng)有關(guān)的,對(duì)同樣的介質(zhì),布

儒斯特角的大小也是與光波長(zhǎng)有關(guān)的。以光學(xué)玻璃折射率1.4-1.9計(jì)算,布儒斯特角大約為54-62度左右。當(dāng)入射角偏離布儒斯特角時(shí),反射光將是部分偏振光。



        園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(zhì)做成的。光在這種介質(zhì)中傳播時(shí),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(zhì)中的傳播速度是不同的。當(dāng)一束線偏振光以適當(dāng)?shù)姆较颍雌穹较蚺cO光、E光方向均成45度)射入這種介質(zhì)中時(shí),就能分解成強(qiáng)度相等的O光和E光在介質(zhì)中傳播(如下圖,紅色矢量表示入射偏振光方向,振動(dòng)著的紅點(diǎn)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(zhì)中的傳播速度不同,入射時(shí)線偏振光分解成的O光與E光是同相位的。經(jīng)過一段距離的傳播后,O光與E光之間就會(huì)產(chǎn)生一定的相位差。


        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(huì)是不同橢園度的橢園偏振光(或者線偏振光)。下圖列出了幾種不同位相差時(shí)的情況。


        我們知道,圓周角是360度,相當(dāng)于一個(gè)波長(zhǎng)。上述的90度位相差也就相當(dāng)于四分之一的波長(zhǎng)。如果各向異性介質(zhì)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”園偏振光。因此我們稱其為四分之一波片。如果這種介質(zhì)的厚度引起了180度的位相差,就會(huì)使入射的線偏振光“轉(zhuǎn)過”了90度(下圖)。我們稱其為半波片。前面說過,園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。


        在風(fēng)光攝影中,偏振鏡確實(shí)有不可替代的用途。絕大部分濾鏡的效果我們都可以通過電腦后期處理來模擬,唯獨(dú)只有偏振鏡的效果是無法模擬的,只能一次拍成。這說法本身并沒有大錯(cuò),但是這一句“必備濾鏡”卻讓不少攝影初學(xué)者誤會(huì)了:以為“必備”的意思,就是“永遠(yuǎn)都需要用”,于是就老老實(shí)實(shí)的永遠(yuǎn)把偏振鏡擰在了鏡頭前方,再也不摘下來了。


偏振鏡的作用


        最簡(jiǎn)單地解釋:可以濾除反光。自然光從光源發(fā)射出來,被物體的表面反射以后,光的屬性就被偷偷改變了,我們將這種光叫做偏振光。人的眼睛無法辨識(shí)偏振光和自然光的不同,所以我們不能直觀的“看到”這個(gè)變化。但偏振鏡就像是一個(gè)過濾器,它允許自然光通過,卻可以攔截一些偏振光,這樣就可以人為的去除“反光”的影響。


        這是非常要緊的事!在拍攝九寨溝的水時(shí),可以去掉討厭的水面反光,拍到色彩斑斕的水底植物;在拍攝櫥窗時(shí),可以消除玻璃上反射的霓虹燈光,拍到櫥窗里漂亮的展品。特別是在拍攝藍(lán)天白云時(shí),可以過濾一部分天空反光,加深天空藍(lán)色,白云便更加突顯。


偏振鏡的使用方法


       偏振鏡通常由兩個(gè)鐵環(huán)組成,一個(gè)鐵環(huán)可以安裝在鏡頭的前方,擰緊后就不再運(yùn)動(dòng),另一個(gè)則承載著一片玻璃,在鐵環(huán)擰緊之后,它仍然可以自由旋轉(zhuǎn)。在使用偏振鏡的時(shí)候,我們需要在取景器里觀察需要消除的反光,左右掐住偏振鏡的前環(huán)慢慢旋轉(zhuǎn)——很快會(huì)找到最佳的旋轉(zhuǎn)角度讓反光消失。不過,偏振鏡一次只能濾除一個(gè)方向的偏振光,可能同一個(gè)畫面中濾掉玻璃反光時(shí),水面上的反光就濾不掉;濾掉了水面的反光,玻璃的反光又明顯起來。


偏振鏡使用的誤區(qū)


        偏振鏡最擅長(zhǎng)過濾的是入射角和反射角的夾角為90度的反光,越是接近180度的反光它就越是無能為力。比如頭頂正上方的太陽光射在水面上,偏振鏡是無法起作用的。另外,金屬表面的反光并不是偏振光,偏振鏡對(duì)這樣的反光也無能為力。鏡子是在玻璃上鍍上薄薄的水銀、銀或鋁做成的,所以也不是偏振光。想象一下,如果面對(duì)一面鏡子拿起相機(jī),一旋轉(zhuǎn)偏振鏡,自己就從鏡子里消失了,這是多么恐怖的事!


        特別需要指出的是,偏振鏡會(huì)導(dǎo)致2-3倍的光線損失,這樣一來,相機(jī)便因?yàn)榈貌坏阶銐虻墓饩€而無法使用高速快門,在光線稍不充足的情況下,甚至容易因?yàn)橄鄼C(jī)抖動(dòng)而拍出模糊的照片來。有不少懶人還將UV鏡與偏振鏡疊加在一起使用,由于兩個(gè)濾鏡疊加的鏡框太厚,擋住了鏡頭取景,還在畫面的四個(gè)角上形成了嚴(yán)重的暗角。


        為了達(dá)到盡量完美的成像效果,光學(xué)設(shè)計(jì)師費(fèi)了很大的功夫才終于減少了鏡頭里用到的玻璃片。這個(gè)改進(jìn)的過程有時(shí)很漫長(zhǎng),比如花了十年,才終于把一枚原本由6片鏡片組成的鏡頭減少到5片鏡片。雖然今天已經(jīng)有了多層鍍膜技術(shù)來大大改善透光率,但100%透明的物體是不存在的,成像品質(zhì)的損失仍然會(huì)存在。由于技術(shù)和成本的原因,廉價(jià)的鏡頭所造成的成像品質(zhì)損失會(huì)更大。


        因此,偏振鏡是個(gè)好東西,但絕不是可以一直安在鏡頭上的,我們只有在必要時(shí)才會(huì)請(qǐng)它出馬。 

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