1、引言

在日常生活中，經(jīng)常會遇到各種“反光”現(xiàn)象，使得我們在觀察事物或攝影時有一定的障礙。比如：觀賞水中的動植物時，水面上常常會有一道道光斑影響視線；陽光充足的柏油路面上，時常會有耀眼的強光射入司機的眼睛……相應(yīng)地，在機器視覺中，我們也會經(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)相機無法順利采集到高質(zhì)量的圖像。因圖像的對比度較低或者關(guān)鍵特征無法完整呈現(xiàn)，經(jīng)常會導(dǎo)致機器視覺系統(tǒng)中誤檢、誤判、精度低、不穩(wěn)定等現(xiàn)象的發(fā)生，甚至是輸出錯誤的數(shù)據(jù)。然而，這些問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，且平均而言在任一方向上都具有相同的振幅，即振動方向是對稱的，如圖1所示。然而，當光的振動方向?qū)τ趥鞑シ较虿粚ΨQ性時，便成了偏振光。偏振現(xiàn)象橫波區(qū)別于其他縱波的一個最明顯的標志。

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，自然光在傳播過程中經(jīng)過某種介質(zhì)（偏振片）后，只有一個固定振動方向的光能夠通過這個介質(zhì)，就得到了線偏振光。線偏振光的振動方向是確定的，如圖2所示。

為了更好地理解光的偏振現(xiàn)象，我們可以借助實驗裝置進行生動地闡述。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（如燈光或陽光）通過偏振片P1后，形成了偏振光。但由于人的眼睛沒有辨別偏振光的能力，故無法察覺。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，就可發(fā)現(xiàn)透射光的強度隨著P2轉(zhuǎn)動而出現(xiàn)周期性的變化，而且每轉(zhuǎn)過90°就會重復(fù)出現(xiàn)發(fā)光強度從最大逐漸減弱到最暗。繼續(xù)轉(zhuǎn)動P2則光強又從接近于零逐漸增強到最大。由此可知，通過P1的透射光與原來的入射光性質(zhì)是有所不同的，這說明經(jīng)P1的透射光的振動對傳播方向不具有對稱性。圖3中偏振光通過旋轉(zhuǎn)的檢偏器P2，光強發(fā)生變化，在P2平行于線偏振光方向時，光強最大；圖4中在P2垂直于線偏振光方向時，光強幾乎為零。

圖3P2方向與線偏振光方向水平

圖4P2方向與線偏振光方向垂直

將光的偏振特性運用于機器視覺光源中，通過合理的設(shè)計改變光源所發(fā)射光波的振動方向，同時約束反射回相機的光波的振動方向，便可消除機器視覺中常見的強反光現(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，它允許透過某一矢量振動方向的光（此方向稱為偏振化方向），而吸收與其垂直振動的光，即具有二向色性. 因此自然光通過偏振片后，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。通過調(diào)節(jié)兩個偏振片的相對方向可以過濾掉某些強反光。

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)過偏光片A得到如光Ⅱ的線偏振光。光Ⅱ遇到包裝膜時部分會發(fā)生鏡面反射，即產(chǎn)生光Ⅲ，同時部分會透射至目標物表面并形成漫反射光Ⅳ。此時光Ⅳ經(jīng)過目標物的反射，振動方向發(fā)生變化，再透過玻璃面時偏光狀態(tài)仍然混亂，變成非偏振光。在光Ⅲ和光Ⅳ中，光Ⅳ可透過偏光片B，變?yōu)楣猗酰ㄆ窆猓┎⒌竭_相機的CCD，但只含單方向偏光成分的光Ⅲ會被偏光鏡B擋住而不通過，因此可去除玻璃或者透明膜上的鏡面反光，輕松提取目標物上的特征信息。

4、CST偏振光源特點

通常情況下，CST偏振光源自帶起偏、檢偏兩個偏振片。由此以來，在機器視覺系統(tǒng)中反射至成像感光芯片的光通量，比起常規(guī)光源而言將會大大降低。針對這個問題，CST偏振光源通常采用大功率、小體積的LED陣列設(shè)計。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、不變形等特性。CST偏振光源的實物及照明示意圖如圖8所示。

圖8CST偏光環(huán)光實物圖及示意圖

在機器視覺成像實踐中，傳統(tǒng)偏光照明方式（如圖9）缺點比較明顯，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)鏡頭上偏振鏡以達最佳角度。

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

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偏振光源極大地簡化了視覺工程師的工作，其自誕生以來，解決了大量的機器視覺工程難題，這里選取幾個有代表性的案例。

應(yīng)用案例對比：

5.1工件表面的字符缺陷檢測

電容表面是光滑且有凹凸的塑膠材質(zhì)，采用普通環(huán)形光照明時容易形成強反光，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圖像，其幾乎完全消除表面光斑干擾，字符特征清晰，對比鮮明。

鍵盤上覆有透明包裝膜。當采用普通視覺光源照明時，因薄膜表面反光，嚴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

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，很難實現(xiàn)對各個工件的精密定位。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

盡管采用了圓頂無影光源照明，然而部分產(chǎn)品表面還是會有些許反光，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。

來源：機器視覺沙龍

審核編輯：湯梓紅