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          偏振鏡光學原理和在機器視覺中的應用


          機器視覺檢測對象物體的表面會發出雜亂的眩光時(如拋光金屬表面、煙盒、晶片等),會嚴重影響成像質量,降低機
          器視覺檢測特征的對比度。為了減弱或者消除雜散光、眩光等干擾,在很多視覺檢測、測量、定位等系統構建時,我們在鏡頭前面
          需要搭配偏振鏡來使用。我們簡單的看兩幅效果圖,以下圖片是在同樣的時間,同樣的相機參數情況下拍攝的。圖1、未使用偏振鏡
          圖2、拍攝時采用了富愛其光電自動旋轉高清偏振鏡片。

             下面,我們就簡單的介紹一下偏振鏡的光學原理和應用。

             光是一定波段范圍的電磁波,是由與傳播方向垂直的電場和磁場交替轉換的振動形成的。我們的眼睛能夠看到的
          是電磁波中的一個很小的波長范圍,即380納米到780納米左右,這個范圍的電磁波稱為可見光。電磁波的振動方
          向與傳播方向是垂直的,我們稱之為橫波。橫波就必然有一個偏振的問題。由于和光學發展歷史有關的原因,人們
          常把磁
          矢量的方向叫做偏振方向,并把磁矢量的傳播方向所決定的平面叫做偏振面。

          自然光:雖然光從本質上來說是偏振的,但是自然界的大多數情況下,光表現出非偏振的。這是因為我們所看到的自然光(如太陽光,燈光)是由許多光波串組成的。這些光波串中每一串都是偏振的,但是它們的偏振方向是隨機的,不斷變化著的。在我們的觀察時間段里平均后,在任何一個方向上都沒有優勢。這就是自然光,也叫非偏振光。

          線偏振光:讓自然光通過一個起偏振器件后,只有一個方向的偏振光能夠通過這個器件,我們就得到了線偏振光。線偏振光的振動方向是確定的。

          部分偏振光:如果線偏振光中混有一部分自然光,也就是說,這種光包含著各種方向的偏振光,而在某一方向的上體現
          出偏振的優勢。這就是部分偏振光。
           
          圓偏振光:這種光的偏振方向是有規律的旋轉著的。而光矢量在旋轉過程中的強度是保持一定的。也就是光矢量是沿著一個圓旋轉的。這就是園偏振光。在我們的觀察時間段中平均后,圓偏振光看上去是與自然光一樣的。但是圓偏振光的偏振方向是按一定規律變化的,而自然光的偏振方向變化是隨機的,沒有規律的。

          橢園偏振光:這種光的偏振方向也是在規律的旋轉著的,但是它的光矢量在旋轉過程中強度也在變化。也就是光矢量是沿著一個橢園旋轉的。橢園偏振光在觀察時間段里平均后的結果與部分偏振光相似。但是與部分偏振光不同,它的偏振方向以及光矢量的大小是按一定規律變化的。

          用偏振濾鏡可以消除水面、玻璃面和其他非金屬表面反射光,這是因為在這些介面上反射光的偏振狀態發生了變化。

            我們大家都知道,光在不同折射率的介質的界面上會發生反射和折射。入射角與反射角、折射角的關系分別服從
          反射定律和折射定律。在非金屬的界面上,當入射光線與折射光線成直角時,反射光線將是線偏振光,這就是有名
          的布儒斯特原理。此時的入射角就稱為布儒斯特角。從下圖可以看出,當光線從空氣(介質1,嚴格地說應該是真空)
          射入介質2時,布儒斯特角的正切值等于介質2的折射率n。由于介質的折射率是與光波長有關的,對同樣的介質,布
          儒斯特角的大小也是與光波長有關的。以光學玻璃折射率1.4-1.9計算,布儒斯特角大約為54-62度左右。當入射角
          偏離布儒斯特角時,反射光將是部分偏振光。

          園偏振鏡是由一塊線偏振鏡和一塊四分之一波片組成的。四分之一波片是用一種各向異性介質做成的。光在這種介質中
          傳播時,可以分解為兩種光矢量相互垂直的線偏振光,一種稱為尋常光線(Ordinary light,O光),另一種稱為非常
          光線(Extra-ordinary light,E光)。這兩種光在介質中的傳播速度是不同的。當一束線偏振光以適當的方向(即偏
          振方向與O光、E光方向均成45度)射入這種介質中時,就能分解成強度相等的O光和E光在介質中傳播(如下圖,紅色矢
          量表示入射偏振光方向,振動著的紅點分別表示O光和E光方向)。

          FA-VISION

          由于O光與E光在各向異性介質中的傳播速度不同,入射時線偏振光分解成的O光與E光是同相位的。經過一段距離的傳
          播后,O光與E光之間就會產生一定的相位差。

          如果各向異性介質的厚度正好使O光與E光在射出介質時的相位差為90度,即二分之一PI時,兩種光合成時就是一種光
          矢量(偏振面)沿著園周轉動的特殊偏振光。這種偏振面不斷地在轉動的偏振光就是園偏振光。(如下圖,紅點表示
          O光與E光,請注意,此時O光與E光有90度的位相差。紅色箭頭就是轉動著的合成光矢量。)

           但是,如果O光與E光之間的位相差不是90度,則合成的光就會是不同橢園度的橢園偏振光(或者線偏振光)。下圖
          列出了幾種不同位相差時的情況。

           我們知道,圓周角是360度,相當于一個波長。上述的90度位相差也就相當于四分之一的波長。如果各向異性介質的厚
          度正好能在O光與E光之間引起90度的位相差,就能把一定偏振方向的線偏振光“變成”園偏振光。因此我們稱其為四分
          之一波片。如果這種介質的厚度引起了180度的位相差,就會使入射的線偏振光“轉過”了90度(下圖)。我們稱其為
          半波片。前面說過,園偏振濾鏡就是由線偏振鏡加上一塊四分之一波片組成的,而且,線偏振鏡的偏振方向與四分之一
          波片的O光(或E光)成45度的。

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