光的偏振及其在視覺中的應用

在許多工業應用中，由于低對比度或高反射成像條件，視覺檢測具有很大的挑戰性，偏振相機可以幫助發現隱藏的材料特性，并提供比標準彩色和單色相機更高的視覺清晰度。

可以利用偏振相機過濾掉不需要的反射或眩光，并通過對偏振光角度著色來增強對比度，產品中使用的不同材料可以反射和改變光的特性。普通彩色和單色傳感器可檢測入射光的強度和波長，而偏振相機內部使用的特殊偏振傳感器可以檢測和過濾反射、折射或散射表面的光的偏振角度。

什么是偏振？

偏振片的偏振

偏振是光的基本屬性，描述了光的電場振蕩的方向。大多數光源，如太陽，發出的是非偏振光。非偏振光在垂直于行進方向的隨機方向上具有振動。對于要偏振的光，隨機定向振動被移除或轉換為線性，圓形或橢圓形電磁波。

偏振片是一種光學濾光片，它允許特定方向的光波通過，同時阻擋其他方向的光波。它可以將未定義或混合偏振的光束過濾成一束明確定義的偏振光束，即偏振光。常見的偏振片類型是線性偏振片和圓偏振片。

反射偏振

非偏振光可以通過非金屬表面的表面反射進行偏振。金屬表面反射入射光的偏振，無論是偏振的還是非偏振的，并且不會顯著偏振。其他材料，如玻璃、塑料和水的半透明表面，將一定量的光反射并偏振回環境中。

由于具有平行于入射平面的電場的光的反射系數在0°和90°之間的某個角度處為零，因此該角度的反射光是線性偏振的，其電場矢量垂直于入射平面并平行于其反射的表面的平面。發生這種情況的角度稱為偏振角或布魯斯特角。在其他角度，反射光被部分偏振。

折射偏振

偏振也可以通過光的折射發生。當光束從一種材料進入另一種材料時，就會發生折射。在兩種材料的表面，光束的路徑改變其方向。折射光束獲得一定程度的偏振。大多數情況下，偏振發生在垂直于表面的平面上。

冰島石（Iceland Spar）是一種相當罕見的礦物方解石形式，它將入射光折射成兩條不同的路徑。光線在進入晶體時被分成兩束。隨后，如果通過冰島Spar晶體觀察物體，將看到兩個圖像。這兩個圖像是光的雙重折射的結果。兩種折射光束都是偏振的，一個在平行于表面的方向上，另一個在垂直于表面的方向上。由于這兩條折射光線以垂直方向偏振，因此可以使用偏振濾光片完全阻擋其中一幅圖像。如果濾光片的偏振軸垂直于偏振光的平面對齊，則光被濾光片完全阻擋；同時，第二幅圖像盡可能明亮。如果濾鏡在任一方向上旋轉90度，則第二個圖像將重新出現，第一個圖像將消失。

偏振的應用

偏振的應用長期以來一直用于機器視覺檢測，以檢測應力，檢測物體并減少透明物體的眩光。典型的設置需要在目標物體、光源和相機之間安裝一個或多個外部偏振片板。各種設置可用于測量材料應力，增強對比度以及分析表面質量的凹痕或劃痕。

應力檢測

當偏振光穿過透明材料時，偏振光的入射角度將通過物體中的不同應力區域轉換為不同的角度。通過將顏色分配給特定的偏振角度，可以可視化缺陷和應力區域。

減少反射

物體會反射光線，使表面檢測變得困難。食品和包裝檢測應用可以通過減少反射和眩光來減少偏振片的使用。

提高對比度

在低光照條件下，可以通過檢測物體偏振的角度來改善對比度。上面的例子展示了如何在低光下通過常規成像來改善對比度。

劃痕檢測

與應力檢測類似，使用傳統成像很難識別某些缺陷和劃痕。為了幫助識別表面缺陷，偏振成像可用于檢測透明材料上的劃痕。

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