偏振光源在機(jī)器視覺(jué)中的應(yīng)用

1、引言

在日常生活中，經(jīng)常會(huì)遇到各種“反光”現(xiàn)象，使得我們?cè)谟^察事物或攝影時(shí)有一定的障礙。比如：觀賞水中的動(dòng)植物時(shí)，水面上常常會(huì)有一道道光斑影響視線(xiàn)；陽(yáng)光充足的柏油路面上，時(shí)常會(huì)有耀眼的強(qiáng)光射入司機(jī)的眼睛……相應(yīng)地，在機(jī)器視覺(jué)中，我們也會(huì)經(jīng)常遇到類(lèi)似的情況：由于工件表面上的噴漆、鍍膜、玻璃、包裝膜或其它反光材質(zhì)的影響，工業(yè)相機(jī)無(wú)法順利采集到高質(zhì)量的圖像。因圖像的對(duì)比度較低或者關(guān)鍵特征無(wú)法完整呈現(xiàn)，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中誤檢、誤判、精度低、不穩(wěn)定等現(xiàn)象的發(fā)生，甚至是輸出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。然而，這些問(wèn)題我們是可以利用光的偏振特性得以解決的。

2、偏振光介紹

偏振是指橫波的振動(dòng)矢量（垂直于波的傳播方向）偏于某些方向的現(xiàn)象，光的偏振現(xiàn)象是由法國(guó)工程師馬呂斯于1808年發(fā)現(xiàn)的。眾所周知，自然光是一種電磁波，屬于橫波，其在垂直于傳播方向的平面內(nèi)包含著一切可能方向的振動(dòng)，且平均而言在任一方向上都具有相同的振幅，即振動(dòng)方向是對(duì)稱(chēng)的，如圖1所示。然而，當(dāng)光的振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虿粚?duì)稱(chēng)性時(shí)，便成了偏振光。偏振現(xiàn)象橫波區(qū)別于其他縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)志。

偏振光按其性質(zhì)可分為平面偏振光（或線(xiàn)偏振光），圓偏振光，橢圓偏振光和部分偏正光。例如，自然光在傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)某種介質(zhì)（偏振片）后，只有一個(gè)固定振動(dòng)方向的光能夠通過(guò)這個(gè)介質(zhì)，就得到了線(xiàn)偏振光。線(xiàn)偏振光的振動(dòng)方向是確定的，如圖2所示。

為了更好地理解光的偏振現(xiàn)象，我們可以借助實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行生動(dòng)地闡述。在圖3、圖4中，P1（起偏器）、P2（檢偏器）是兩塊同樣的偏振片。在圖3中，自然光（如燈光或陽(yáng)光）通過(guò)偏振片P1后，形成了偏振光。但由于人的眼睛沒(méi)有辨別偏振光的能力，故無(wú)法察覺(jué)。如果我們把偏振片P1的方位固定，而把偏振片P2緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)，就可發(fā)現(xiàn)透射光的強(qiáng)度隨著P2轉(zhuǎn)動(dòng)而出現(xiàn)周期性的變化，而且每轉(zhuǎn)過(guò)90°就會(huì)重復(fù)出現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度從最大逐漸減弱到最暗。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)P2則光強(qiáng)又從接近于零逐漸增強(qiáng)到最大。由此可知，通過(guò)P1的透射光與原來(lái)的入射光性質(zhì)是有所不同的，這說(shuō)明經(jīng)P1的透射光的振動(dòng)對(duì)傳播方向不具有對(duì)稱(chēng)性。圖3中偏振光通過(guò)旋轉(zhuǎn)的檢偏器P2，光強(qiáng)發(fā)生變化，在P2平行于線(xiàn)偏振光方向時(shí)，光強(qiáng)最大；圖4中在P2垂直于線(xiàn)偏振光方向時(shí)，光強(qiáng)幾乎為零。

圖3P2方向與線(xiàn)偏振光方向水平

圖4P2方向與線(xiàn)偏振光方向垂直

將光的偏振特性運(yùn)用于機(jī)器視覺(jué)光源中，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)改變光源所發(fā)射光波的振動(dòng)方向，同時(shí)約束反射回相機(jī)的光波的振動(dòng)方向，便可消除機(jī)器視覺(jué)中常見(jiàn)的強(qiáng)反光現(xiàn)象。偏光光源由此產(chǎn)生。

3、偏振光源光路原理

3.1偏振片/偏振鏡

偏振片是用人工方法制成的薄膜，是用特殊方法使選擇性吸收很強(qiáng)的微粒晶體在透明膠層中作有規(guī)則排列而制成的，它允許透過(guò)某一矢量振動(dòng)方向的光（此方向稱(chēng)為偏振化方向），而吸收與其垂直振動(dòng)的光，即具有二向色性. 因此自然光通過(guò)偏振片后，透射光基本上成為平面偏振光。由于偏振片易于制作，所以它是普遍使用的偏振器。通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)偏振片的相對(duì)方向可以過(guò)濾掉某些強(qiáng)反光。

3.2偏振光源的光路原理

圖7偏振光源光路原理

這里以透明包裝膜內(nèi)的工件檢測(cè)為例，闡述一下偏光光源的光路原理。如圖7所示，由光源發(fā)出的光Ⅰ經(jīng)過(guò)偏光片A得到如光Ⅱ的線(xiàn)偏振光。光Ⅱ遇到包裝膜時(shí)部分會(huì)發(fā)生鏡面反射，即產(chǎn)生光Ⅲ，同時(shí)部分會(huì)透射至目標(biāo)物表面并形成漫反射光Ⅳ。此時(shí)光Ⅳ經(jīng)過(guò)目標(biāo)物的反射，振動(dòng)方向發(fā)生變化，再透過(guò)玻璃面時(shí)偏光狀態(tài)仍然混亂，變成非偏振光。在光Ⅲ和光Ⅳ中，光Ⅳ可透過(guò)偏光片B，變?yōu)楣猗酰ㄆ窆猓┎⒌竭_(dá)相機(jī)的CCD，但只含單方向偏光成分的光Ⅲ會(huì)被偏光鏡B擋住而不通過(guò)，因此可去除玻璃或者透明膜上的鏡面反光，輕松提取目標(biāo)物上的特征信息。

4、CST偏振光源特點(diǎn)

通常情況下，CST偏振光源自帶起偏、檢偏兩個(gè)偏振片。由此以來(lái)，在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中反射至成像感光芯片的光通量，比起常規(guī)光源而言將會(huì)大大降低。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，CST偏振光源通常采用大功率、小體積的LED陣列設(shè)計(jì)。在起偏、檢偏器的選擇上，則采用玻璃材質(zhì)、特別定制的偏振片，具有耐高溫、高濕，壽命長(zhǎng)、不變形等特性。CST偏振光源的實(shí)物及照明示意圖如圖8所示。

圖8CST偏光環(huán)光實(shí)物圖及示意圖

在機(jī)器視覺(jué)成像實(shí)踐中，傳統(tǒng)偏光照明方式（如圖9）缺點(diǎn)比較明顯，如：需要選擇與鏡頭螺紋匹配的偏振鏡；光源需要臨時(shí)安裝偏振片，且安裝可能反向；需要不斷旋轉(zhuǎn)鏡頭上偏振鏡以達(dá)最佳角度。

而采用CST偏光光源時(shí)（如圖10所示），則徹底避免了這些問(wèn)題：出廠(chǎng)時(shí)已把光源調(diào)到最合適狀態(tài)，可直接使用；完全不存在安起偏器、檢偏器的安裝問(wèn)題；同時(shí)手持CST偏光光源，人眼觀察，直接評(píng)估打光效果。

圖9 傳統(tǒng)偏振照明方式圖10 CST偏振光源照明

5、CST偏振光源的工程應(yīng)用案例

CST偏振光源極大地簡(jiǎn)化了視覺(jué)工程師的工作，其自誕生以來(lái)，解決了大量的機(jī)器視覺(jué)工程難題，這里選取幾個(gè)有代表性的案例。

應(yīng)用案例對(duì)比：

5.1工件表面的字符缺陷檢測(cè)

電容表面是光滑且有凹凸的塑膠材質(zhì)，采用普通環(huán)形光照明時(shí)容易形成強(qiáng)反光，很難從該圖像的背景中清晰地提取字符信息。采用偏振光源照明的視覺(jué)圖像，其幾乎完全消除表面光斑干擾，字符特征清晰，對(duì)比鮮明。

鍵盤(pán)上覆有透明包裝膜。當(dāng)采用普通視覺(jué)光源照明時(shí)，因薄膜表面反光，嚴(yán)重影響了薄膜下方工件上的字符特征提取。未在相同情況下采用CST偏振光源的成像圖。由此可以看出，CST偏振光源徹底克服了薄膜表面的反光干擾。

5.2金屬件定位檢測(cè)

工金屬件有黑色氧化面、磨砂面銀白色光滑面的等，表面反光度不一。因此，常規(guī)光源照明下，整體成像效果極差，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)工件的精密定位。而在在偏振光源作用下，上述反光極易消除，各工件輪廓特征清晰。

5.3元器件顏色區(qū)分檢測(cè)

盡管采用了圓頂無(wú)影光源照明，然而部分產(chǎn)品表面還是會(huì)有些許反光，導(dǎo)致工件顏色不夠純粹。而采用了偏振光源，一些高亮反光被消除，工件色彩還原更加真實(shí)。

來(lái)源：機(jī)器視覺(jué)沙龍

審核編輯：湯梓紅