1、引言

在日常生活中，經常會遇到各種“反光”現象，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……相應地，在機器視覺中，我們也會經常遇到類似的情況：由于工件表面上的噴漆、鍍膜、玻璃、包裝膜或其它反光材質的影響，工業相機無法順利采集到高質量的圖像。因圖像的對比度較低或者關鍵特征無法完整呈現，經常會導致機器視覺系統中誤檢、誤判、精度低、不穩定等現象的發生，甚至是輸出錯誤的數據。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）偏于某些方向的現象，光的偏振現象是由法國工程師馬呂斯于1808年發現的。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，當光的振動方向對于傳播方向不對稱性時，便成了偏振光。偏振現象橫波區別于其他縱波的一個最明顯的標志。

偏振光按其性質可分為平面偏振光（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過某種介質（偏振片）后，只有一個固定振動方向的光能夠通過這個介質，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緩慢地轉動，就可發現透射光的強度隨著P2轉動而出現周期性的變化，而且每轉過90°就會重復出現發光強度從最大逐漸減弱到最暗。繼續轉動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是有所不同的，這說明經P1的透射光的振動對傳播方向不具有對稱性。圖3中偏振光通過旋轉的檢偏器P2，光強發生變化，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，通過合理的設計改變光源所發射光波的振動方向，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象。偏光光源由此產生。

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。通過調節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，由光源發出的光Ⅰ經過偏光片A得到如光Ⅱ的線偏振光。光Ⅱ遇到包裝膜時部分會發生鏡面反射，即產生光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經過目標物的反射，振動方向發生變化，再透過玻璃面時偏光狀態仍然混亂，變成非偏振光。在光Ⅲ和光Ⅳ中，光Ⅳ可透過偏光片B，變為光Ⅴ（偏振光）并到達相機的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，在機器視覺系統中反射至成像感光芯片的光通量，比起常規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陣列設計。在起偏、檢偏器的選擇上，則采用玻璃材質、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偏光環光實物圖及示意圖

在機器視覺成像實踐中，傳統偏光照明方式（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：出廠時已把光源調到最合適狀態，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，采用普通環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，常規光源照明下，整體成像效果極差，很難實現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元器件顏色區分檢測

盡管采用了圓頂無影光源照明，然而部分產品表面還是會有些許反光，導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