偏振成像的(de)基本(ben)原理(li)和優點

通(tong)過空間(jian)校(xiao)正，線(xian)掃描偏振(zhen)相(xiang)機可以探測到雙折射、應力、表(biao)面粗糙度以及常(chang)規(gui)成像(xiang)無(wu)法檢測到的物理特(te)性。

光(guang)有三個基本特(te)性：強(qiang)(qiang)度、波長和偏(pian)(pian)振。今天(tian)幾乎所有的(de)相機都是(shi)為單色或彩色成像而設計的(de)。單色相機用于測量(liang)在(zai)像素級寬(kuan)帶光(guang)譜上的(de)光(guang)強(qiang)(qiang)，而彩色或多光(guang)譜相機則(ze)用于檢測紅、綠、藍和近(jin)紅外波段的(de)光(guang)強(qiang)(qiang)。同樣，偏(pian)(pian)振照(zhao)相機用于在(zai)多偏(pian)(pian)振狀態下捕捉(zhuo)光(guang)的(de)強(qiang)(qiang)度。

根據 AIA公司(si)的一項市場(chang)調查，機(ji)器視覺全球市場(chang)在2015年達到(dao)7.6億美(mei)元，其中80%來自(zi)(zi)單色(se)相機(ji)，20%來自(zi)(zi)彩(cai)色(se)相機(ji)。雖然偏(pian)振片是(shi)機(ji)器視覺中常用(yong)的一種，但到(dao)目(mu)前為止(zhi)還(huan)沒有線掃描偏(pian)振相機(ji)用(yong)于捕捉(zhuo)多偏(pian)振狀(zhuang)態的圖像。

偏(pian)振提(ti)供了許多好處(chu)，它不(bu)僅(jin)檢(jian)測幾何和表面，而且測量(liang)無法用常規成(cheng)(cheng)像(xiang)檢(jian)測的(de)(de)物(wu)理性質。在機器(qi)視覺(jue)中，它可(ke)以用來(lai)增強難以區分的(de)(de)物(wu)體的(de)(de)對比(bi)度。與相位(wei)檢(jian)測技(ji)術(shu)相結合(he)，偏(pian)振成(cheng)(cheng)像(xiang)的(de)(de)成(cheng)(cheng)像(xiang)靈敏感(gan)比(bi)傳(chuan)統成(cheng)(cheng)像(xiang)方(fang)法高得多。

偏振濾波技術

就像人類(lei)的眼睛一(yi)(yi)樣(yang)，硅不能(neng)決定(ding)光的偏(pian)振。因此，在圖(tu)像傳感器前面需(xu)要一(yi)(yi)個偏(pian)振濾波器。圖(tu)像傳感器用濾波器定(ding)義的偏(pian)振狀態來檢測(ce)光的強度。

大多(duo)數(shu)常(chang)見的(de)(de)偏(pian)振(zhen)濾波器(qi)可分為三種(zhong)類型：時(shi)(shi)間(jian)分割(ge)(ge)、振(zhen)幅分割(ge)(ge)或(huo)焦(jiao)平面分割(ge)(ge)。在時(shi)(shi)間(jian)分割(ge)(ge)的(de)(de)偏(pian)振(zhen)測量中(zhong)，隨著偏(pian)振(zhen)元件(如液(ye)晶(jing)、偏(pian)振(zhen)片或(huo)光彈性(xing)調制(zhi)(zhi)器(qi))的(de)(de)旋(xuan)轉或(huo)調制(zhi)(zhi)，數(shu)據是按時(shi)(shi)間(jian)順序(xu)獲(huo)得的(de)(de)，其速度受到調制(zhi)(zhi)器(qi)的(de)(de)限制(zhi)(zhi)。在今天的(de)(de)許多(duo)應(ying)用中(zhong)，通常(chang)需要100 kHz左右的(de)(de)高(gao)線速；時(shi)(shi)間(jian)分割(ge)(ge)濾波器(qi)有其固有的(de)(de)局限性(xing)，而且由于設計復雜(za)，成(cheng)本也(ye)很高(gao)。

對于振幅分割的(de)(de)濾波器而(er)言，光被分成不同的(de)(de)光路(lu)(lu)，其(qi)中每個(ge)光路(lu)(lu)都有一個(ge)獨(du)立的(de)(de)傳感器。棱鏡是最(zui)常用的(de)(de)部件，但是通常很難(nan)實現很高的(de)(de)裝配精度，而(er)且，通常還需(xu)要較大的(de)(de)空間用來(lai)安(an)裝棱鏡。

對(dui)于焦(jiao)平面分(fen)割濾(lv)光(guang)器，在(zai)(zai)焦(jiao)平面上放置一個微偏(pian)振片陣列來定義不同(tong)的(de)偏(pian)振態。該技術適用(yong)于緊湊、穩(wen)定、低(di)成本的(de)設計。然而，對(dui)于區(qu)域掃描成像儀來說，由于每個像素只提(ti)供一個自然偏(pian)振狀態的(de)數據(ju)，因此在(zai)(zai)空間分(fen)辨率(lv)上存在(zai)(zai)固有的(de)缺點。這種算(suan)法被用(yong)來對(dui)其他算(suan)法進行插值(zhi)。

傳感器體系結構

一個可用的(de)(de)偏振(zhen)相機包含一個具有(you)(you)四線架構的(de)(de)CMOS傳感器。由納(na)米線組成的(de)(de)微偏振(zhen)器陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)被(bei)放置在(zai)硅上(shang)，納(na)米線的(de)(de)螺距為(wei)140nm，寬(kuan)度(du)為(wei)70nm，而在(zai)前三個線性陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)上(shang)，偏振(zhen)濾(lv)(lv)光(guang)片的(de)(de)取向(xiang)分別為(wei)0°、90°和135°。過(guo)濾(lv)(lv)光(guang)的(de)(de)強(qiang)度(du)由底層的(de)(de)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)記錄。第四個通(tong)道是一個未經濾(lv)(lv)波的(de)(de)陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)，它(ta)捕獲的(de)(de)總強(qiang)度(du)相當于一幅傳統(tong)圖像(xiang)，而有(you)(you)源陣(zhen)列(lie)(lie)(lie)之間的(de)(de)間隙減少(shao)了空間串擾(rao)。

光(guang)(guang)是(shi)電(dian)磁(ci)波。它的(de)(de)電(dian)場(chang)、磁(ci)場(chang)和傳(chuan)(chuan)播方(fang)(fang)向是(shi)正交的(de)(de)。偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)方(fang)(fang)向被定義為電(dian)場(chang)方(fang)(fang)向。電(dian)場(chang)方(fang)(fang)向垂(chui)直于(yu)納米線(xian)振(zhen)(zhen)(zhen)蕩(dang)方(fang)(fang)向的(de)(de)光(guang)(guang)將會穿(chuan)過濾光(guang)(guang)片，而平(ping)行(xing)(xing)于(yu)納米線(xian)振(zhen)(zhen)(zhen)蕩(dang)方(fang)(fang)向的(de)(de)光(guang)(guang)將會被濾除(chu)。當線(xian)掃描相機用(yong)反射結(jie)構(gou)與腹板成一(yi)定角度安裝(zhuang)時，0°通(tong)(tong)道傳(chuan)(chuan)輸(shu)s偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)光(guang)(guang)(偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)方(fang)(fang)向垂(chui)直于(yu)入(ru)射平(ping)面)，而90°通(tong)(tong)道傳(chuan)(chuan)輸(shu)p偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)光(guang)(guang)(偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)方(fang)(fang)向平(ping)行(xing)(xing)于(yu)入(ru)射平(ping)面)。假設相機的(de)(de)輸(shu)出(chu)i0，i90，i135，和iUF分別(bie)(bie)從0°、90°、135°偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)和未濾波通(tong)(tong)道輸(shu)出(chu)，則s偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)態和p偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)態的(de)(de)強(qiang)度分別(bie)(bie)為：

使用微偏(pian)振(zhen)器濾鏡的(de)(de)(de)(de)線(xian)(xian)掃描(miao)和面(mian)掃描(miao)之間的(de)(de)(de)(de)關鍵區別是每個(ge)(ge)像(xiang)素(su)的(de)(de)(de)(de)原始偏(pian)振(zhen)狀(zhuang)態數據的(de)(de)(de)(de)數量。區域(yu)掃描(miao)成像(xiang)儀(yi)通常使用以所謂的(de)(de)(de)(de)超像(xiang)素(su)格(ge)式排列的(de)(de)(de)(de)0°，45°，90°和135°偏(pian)振(zhen)濾光片(pian)，其中每個(ge)(ge)像(xiang)素(su)捕獲(huo)一(yi)個(ge)(ge)原始偏(pian)振(zhen)態。然后使用插值算法根據來自相鄰像(xiang)素(su)的(de)(de)(de)(de)信(xin)息(xi)計算另外三(san)個(ge)(ge)狀(zhuang)態。由于空間分辨率的(de)(de)(de)(de)損失，導致數據精度不高。另一(yi)方面(mian)，對(dui)于線(xian)(xian)掃描(miao)相機(ji)，每個(ge)(ge)偏(pian)振(zhen)態都(dou)有100%的(de)(de)(de)(de)采樣。物理(li)測量了多個(ge)(ge)自然偏(pian)振(zhen)態數據。納米線(xian)(xian)微偏(pian)振(zhen)器濾光片(pian)的(de)(de)(de)(de)對(dui)比(bi)度如圖2所示。

根據波長的(de)不同，對比度在30~90之間(jian)。在未來的(de)設計中可以實現(xian)更高(gao)的(de)對比度。

Stokes參數(shu)，S0，S1，S2等通常被(bei)用來分(fen)析材料的物(wu)理性質。差(cha)分(fen)偏振(zhen)、線性偏振(zhen)度(DoLP)和偏振(zhen)角(jiao)(AOP)都是有(you)用的參數(shu)。

圖像可視化

偏(pian)振圖(tu)(tu)像(xiang)與(yu)基于強度(du)的傳(chuan)統圖(tu)(tu)像(xiang)基本不(bu)相(xiang)關。在(zai)視覺(jue)(jue)系(xi)統中(zhong)，可(ke)以在(zai)每個特定的偏(pian)振狀態或(huo)其組(zu)合中(zhong)實現數(shu)據處理(li)。考慮到人類無法(fa)看到偏(pian)振圖(tu)(tu)像(xiang)，所以這是很有(you)用(yong)的。彩色編碼(ma)的偏(pian)振圖(tu)(tu)像(xiang)可(ke)能(neng)是最受歡迎(ying)的一種，因(yin)為它們不(bu)僅可(ke)以提供視覺(jue)(jue)感(gan)知(zhi)，而且可(ke)以在(zai)彩色成像(xiang)中(zhong)利用(yong)標準(zhun)的數(shu)據結構和傳(chuan)輸協議(yi)。

圖(tu)(tu)(tu)3顯(xian)示(shi)了由(you)偏振(zhen)相機捕獲的塑(su)料標尺(chi)(chi)的彩色(se)編碼偏振(zhen)圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)(xiang)，其(qi)中RGB分別代表0°(s-偏振(zhen))、90°(p-偏振(zhen))和135°偏振(zhen)狀態。還比較了由(you)未濾(lv)波信道捕獲的常(chang)規圖(tu)(tu)(tu)像(xiang)(xiang)。顯(xian)然，偏振(zhen)成(cheng)像(xiang)(xiang)顯(xian)示(shi)的是(shi)塑(su)料尺(chi)(chi)內部積累的應(ying)力，這是(shi)常(chang)規成(cheng)像(xiang)(xiang)無(wu)法檢(jian)測到的。

可探測性

隨著檢(jian)測要求的(de)線速(su)達到(dao)100 kHz左右和物(wu)體分辨率縮小到(dao)亞微(wei)米，機器視覺(jue)行業在可檢(jian)測性方面面臨著許多(duo)挑戰。不同的(de)技術(shu)被陸(lu)續開發，如時間延(yan)遲積(ji)分，以(yi)提高信噪比，以(yi)及彩色和多(duo)光譜成(cheng)像(xiang)，以(yi)獲得光譜特(te)性。然而，基于(yu)(yu)材(cai)料物(wu)理(li)特(te)性的(de)檢(jian)測，則需要更高的(de)對比度。偏(pian)振在這里起著關(guan)鍵(jian)的(de)作用，因為它對表(biao)面或界面上(shang)的(de)任何變化都(dou)非常敏感。由于(yu)(yu)相(xiang)位檢(jian)測技術(shu)，基于(yu)(yu)偏(pian)振的(de)成(cheng)像(xiang)比基于(yu)(yu)強度的(de)成(cheng)像(xiang)更加靈敏。

透(tou)射(she)結構(gou)通(tong)常(chang)用(yong)(yong)于透(tou)明材(cai)料(liao)(liao)，如玻璃和(he)薄膜。通(tong)常(chang)偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)器(qi)被用(yong)(yong)來將光(guang)(guang)(guang)源轉換(huan)成線(xian)偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)光(guang)(guang)(guang)。當(dang)線(xian)偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)光(guang)(guang)(guang)穿過物體時，由于物體的(de)雙折(zhe)射(she)，通(tong)常(chang)會(hui)發生橢圓偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)。可(ke)選(xuan)補償器(qi)(如λ/4板)也可(ke)用(yong)(yong)于光(guang)(guang)(guang)路(lu)中。最(zui)后(hou)由偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)相(xiang)機拍攝圖像。偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)器(qi)和(he)補償器(qi)的(de)角度可(ke)以調(diao)整，以達到最(zui)佳(jia)的(de)性能(neng)。反(fan)射(she)結構(gou)(圖5)用(yong)(yong)于不(bu)透(tou)明材(cai)料(liao)(liao)。來自半導體和(he)金屬等許多材(cai)料(liao)(liao)的(de)反(fan)射(she)光(guang)(guang)(guang)與偏(pian)(pian)(pian)振(zhen)(zhen)(zhen)有關。

偏振(zhen)(zhen)器(qi)將光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)(yuan)轉(zhuan)換(huan)為線(xian)(xian)偏振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)。當線(xian)(xian)性偏振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)從(cong)物體(ti)反(fan)射(she)出(chu)來時，反(fan)射(she)光(guang)(guang)一般會變成橢圓(yuan)偏振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)。通(tong)過(guo)旋轉(zhuan)偏振(zhen)(zhen)片和補(bu)償器(qi)的角度，可以(yi)獲得到達攝像機的線(xian)(xian)偏振(zhen)(zhen)光(guang)(guang)。它的結構(gou)類(lei)似(si)于橢圓(yuan)儀(yi)。不(bu)同的是(shi)，相機不(bu)是(shi)使(shi)用旋轉(zhuan)分析儀(yi)，而是(shi)同時捕獲不(bu)同的偏振(zhen)(zhen)態，具有橫向空間分辨(bian)率。光(guang)(guang)是(shi)線(xian)(xian)狀光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)(yuan)，而不(bu)是(shi)點(dian)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)(yuan)。

例如，在任何一種結構中，當(dang)對象的(de)(de)物(wu)理屬性因缺陷而發生變化時，該變化改(gai)變的(de)(de)偏振(zhen)狀(zhuang)態(tai)與對象的(de)(de)其他狀(zhuang)態(tai)不同(tong)。然后由高靈敏度(du)的(de)(de)偏振(zhen)相機檢測這一變化。

機(ji)械力導(dao)致雙折射(she)，這(zhe)會改變透(tou)射(she)光(guang)的偏振狀態，就像在一副玻(bo)璃上引(yin)起應力的螺釘中(zhong)所看(kan)到(dao)的那樣。從未經過濾的通道(dao)中(zhong)可以看(kan)到(dao)，常規成像無(wu)法檢測到(dao)這(zhe)種應力。

注意表(biao)面上(shang)有(you)劃痕的電子線路圖像。在偏振圖像中，由(you)于(yu)對(dui)比(bi)度增強(qiang)，表(biao)面缺陷更加明顯。

線掃(sao)描(miao)偏(pian)振成(cheng)像結合了(le)橢圓偏(pian)振儀的(de)(de)(de)(de)強大(da)功能和(he)真正(zheng)的(de)(de)(de)(de)橫(heng)向(xiang)分辨率(lv)(lv)。橢圓偏(pian)振技(ji)術是(shi)20世紀(ji)70年代發(fa)展起來的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)種非常靈敏的(de)(de)(de)(de)光學技(ji)術，其垂直分辨率(lv)(lv)僅為納米的(de)(de)(de)(de)幾分之一(yi)(yi)。它(ta)被(bei)廣泛應(ying)用(yong)于測定材料的(de)(de)(de)(de)物(wu)理性質，如(ru)薄膜厚度(du)、材料組(zu)成(cheng)、表(biao)面形貌、光學常數、甚至晶體無序性。后來發(fa)展起來的(de)(de)(de)(de)成(cheng)像橢圓儀增加了(le)一(yi)(yi)定程度(du)的(de)(de)(de)(de)橫(heng)向(xiang)分辨率(lv)(lv)。然而(er)，由(you)于使用(yong)的(de)(de)(de)(de)是(shi)點光源(yuan)，它(ta)的(de)(de)(de)(de)視場很小(微米-毫(hao)米)，因此只適用(yong)于顯微鏡(jing)。采用(yong)線性傳(chuan)感器(qi)和(he)線性光源(yuan)的(de)(de)(de)(de)線掃(sao)描(miao)偏(pian)振成(cheng)像克服了(le)這一(yi)(yi)限制。

布魯斯特角成像

橢圓儀的入(ru)射(she)角(jiao)一般選擇接近(jin)布魯斯特角(jiao)

其中n是物體的折射(she)率(lv)，與波(bo)長(chang)有關。對(dui)于(yu)玻璃，n≈1.52和θB≈56°，硅，n≈3.44和θB≈74°，波(bo)長(chang)為(wei)633 nm。

在(zai)布魯斯(si)特(te)角處，p偏(pian)振光(guang)的(de)反(fan)射(she)(she)最(zui)小，s-偏(pian)振態和(he)p-偏(pian)振態反(fan)射(she)(she)率的(de)差異(yi)最(zui)大，這(zhe)給出了(le)最(zui)高的(de)靈敏度(du)。當(dang)非偏(pian)振光(guang)在(zai)布魯斯(si)特(te)角下(xia)入射(she)(she)，相(xiang)機安裝在(zai)鏡面(mian)角度(du)時，p通道捕(bu)獲暗信號，而s通道仍然(ran)從(cong)反(fan)射(she)(she)中捕(bu)獲正常信號。如(ru)果完全的(de)p偏(pian)振光(guang)是(shi)在(zai)布魯斯(si)特(te)角下(xia)入射(she)(she)的(de)，安裝在(zai)同一角度(du)上的(de)照(zhao)相(xiang)機會捕(bu)捉(zhuo)到(dao)一個黑暗的(de)背景。表(biao)面(mian)上任何因缺陷或(huo)雜質等而產生的(de)偏(pian)差，都會導致區(qu)域明(ming)亮。然(ran)后可以(yi)獲得高對(dui)比(bi)度(du)的(de)圖(tu)像。但是(shi)行掃描的(de)一個挑戰是(shi)，當(dang)視場比(bi)傳(chuan)感器的(de)長度(du)大得多時，就無法滿足這(zhe)種情況了(le)。

總之，線掃描偏振成像結合了高靈敏度的(de)偏振相(xiang)位檢測(ce)和(he)真(zhen)正的(de)橫向分辨(bian)率，為下一代視覺系統提供了在許多需要的(de)應用中的(de)可(ke)檢測(ce)性。

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