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；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。

一、偏振基礎(chǔ)原理

1. 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)，就得到了線偏振光。線偏振光的振動(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平行于線偏振光方向時(shí)，光強(qiáng)最大；圖4中在P2垂直于線偏振光方向時(shí)，光強(qiáng)幾乎為零。

圖3 P2方向與線偏振光方向水平

圖4 P2方向與線偏振光方向垂直

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。

2、偏振光源光路原理

2.1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。

圖5 偏振片 （左），圖6 偏振鏡 （右）

2.2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。

二、視覺(jué)行業(yè)典型應(yīng)用

1、偏振光源

下圖展示了偏振光源的典型系統(tǒng)組成，主要應(yīng)用部件為常規(guī)光源、起偏器和檢偏器。起偏器集成在光源前部，使得自然光轉(zhuǎn)換為線偏振光，經(jīng)鏡面反射后透過(guò)鏡頭前的檢偏器，保證二者正交角度即可阻擋簡(jiǎn)單的鏡面反光，有效去除（抑制）眩光發(fā)生。

a、藥片檢測(cè)

針對(duì)醫(yī)療行業(yè)中常見(jiàn)的藥片漏裝、缺陷檢測(cè)，常常由于表面氣罩包的存在導(dǎo)致成像存在眩光（局部過(guò)曝），難以清晰地觀測(cè)內(nèi)部藥片情況。此時(shí)可以通過(guò)偏振光源實(shí)現(xiàn)表面清晰成像，去除氣罩包鏡面反射導(dǎo)致的眩光等現(xiàn)象。

b、讀碼器

隨著工業(yè)4.0的高速發(fā)展，產(chǎn)品追溯已滲透至各行各業(yè)，追溯使用的條碼標(biāo)記也不僅僅局限于平面，而是更多地被標(biāo)記于弧面、球面等反光表面，同時(shí)由于可能存在的條碼外包裝高反等情況，對(duì)于讀碼器的讀碼能力帶來(lái)了更高要求。

而針對(duì)成像反光等情況，很多讀碼器兼容偏振功能，通過(guò)配備半偏振/全偏振鏡頭罩，實(shí)現(xiàn)二維碼圖像的清晰獲取。

c、AGV導(dǎo)航

常見(jiàn)AGV導(dǎo)航技術(shù)包含磁條導(dǎo)航、二維碼導(dǎo)航、紋理導(dǎo)航、激光導(dǎo)航及視覺(jué)導(dǎo)航等方式，利用不同的信號(hào)反饋定位AGV實(shí)時(shí)位置以進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)。以二維碼導(dǎo)航及紋理導(dǎo)航為例，常常利用集成在AGV下方的下視相機(jī)結(jié)合光源進(jìn)行底面二維碼/紋理信息采集，通過(guò)識(shí)別/匹配算法實(shí)現(xiàn)AGV的實(shí)時(shí)定位，具有定位精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。

但考慮到二維碼材質(zhì)、地面狀態(tài)（環(huán)氧地坪等），很容易造成反射燈珠成像、局部過(guò)曝等現(xiàn)象，常常采用偏振鏡頭罩解決，分別在光源前方進(jìn)行起偏和鏡頭前方檢偏，通過(guò)兩組偏振片的過(guò)濾，消除鏡面反射效應(yīng)。

2、偏振導(dǎo)航

天空光具有相對(duì)穩(wěn)定的偏振分布，以Rayleigh散射理論為基礎(chǔ)，基于斯托克矢量和地平坐標(biāo)系，就可以建立簡(jiǎn)單的天空光偏振分布模型。因此在一定時(shí)間、地點(diǎn)觀測(cè)天空，可以得到一幅穩(wěn)定的光偏振分布圖，獲得探測(cè)目標(biāo)的偏振度、偏振方位角信息，實(shí)現(xiàn)載體航向信息的獲取。

相較于傳統(tǒng)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，成像式仿生偏振導(dǎo)航裝置外形更加小巧，重量更加輕便，光敏感性、集成度可以加優(yōu)越，受外界環(huán)境干擾更小。

3、偏振相機(jī)

許多視覺(jué)系統(tǒng)都試圖克服玻璃、塑料和金屬等反光表面產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)或多余光線、反射、朦朧和眩光影響。偏振相機(jī)提供四組偏振角分別為 90°、45°、135°和 0°的偏振圖像，以根據(jù)照明條件的變化，以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)和方向做出補(bǔ)償，改善在挑戰(zhàn)性照明條件下的圖像質(zhì)量和決策時(shí)間。

同時(shí)除了補(bǔ)獲常規(guī)的亮度和顏色信息外，還可以補(bǔ)獲正常圖像傳感器無(wú)法檢測(cè)到的偏振信息，使得其能在能見(jiàn)度低、拍攝畫面困難情況下進(jìn)行檢測(cè)，借助偏振度及偏振方向等偏振特性實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。