偏振片在机器视觉成像中的应用
传统的工业检测是利用人眼观察产品的外观,并根据好/次品的检验标准来区分产品的质量。自动化行业采用机器视觉成像,并对图像进行软件处理和分析,利用PLC控制机器人对产品进行剔除和筛选。使用自动化技术检测产品时,图像成为整个检测过程中关键的一步。
在成像过程中,为了获得均匀性好、对比度高的画面,在视觉成像时采用机器视觉光源进行照明,从而获得便于软件处理的画面。一般情况下,通过选择合适的光源可以获得良好的图像,但由于产品的特殊材料或特殊结构,有时很难获得好的图像。
例如,光源照射在光滑的包装袋上,光滑的包装袋表面以一定角度反射形成的眩光在成像上是有害的,使我们无法看到清晰的图像,过滤掉反射的滤光片叫做偏振片。传统的消除反光的方法是在光源上加一个起偏器,然后将起偏器安装在镜头前面,并小心地旋转起偏器,尽量减少甚至消除有害眩光,这样就可以拍出无眩光的照片。
传统方法的不便之处在于镜头具有多种规格和尺寸。如果偏光镜不符合镜头规格,它将无法安装,并造成不便。购买太多的偏振片也会增加成本,并使其难以管理。
原理:光是垂直于传播方向的交变电场和磁场振动而形成的具有一定波长范围的电磁波。我们的眼睛所能看到的只是电磁波中很小的波长范围,也就是大约380纳米到780纳米,这个范围内的电磁波称为可见光。电磁波的振动方向与传播方向垂直,我们称之为横波。横波一定有极化问题。由于与光学发展史有关的原因,人们常把磁矢量的方向称为偏振方向,由磁矢量的传播方向所确定的平面称为偏振面。
自然光:虽然光从本质上来说是偏振的,但在自然界的大多数情况下,光似乎没有偏振。这是因为我们看到的自然光(如太阳光、灯光)是由许多光波列车组成的。这些光波列中的每一个都是偏振的,但是它们的偏振方向是随机的,并且是不断变化的。在我们观察期间的平均之后,在这方向上都没有优势。这就是自然光,也叫非偏振光。
线偏振光:让自然光通过偏振光器件后,只有一个方向的偏振光可以通过器件,我们就得到了线偏振光。确定了线偏振光的振动方向。
部分偏振光:如果在线偏振光中掺杂了一部分自然光,也就是说这种光中含有各个方向的偏振光,在某一个方向上就表现出偏振光的优势。这是部分偏振光。
圆偏振光:这种光的偏振方向有规律地旋转。然而,光矢量的强度在旋转过程中保持不变。也就是说,光矢量沿着一个圆旋转,这是圆偏振光。当我们观察期间平均时,圆偏振光看起来和自然光一样。然而,圆偏振光的偏振方向是按照一定的规律变化的,而自然光的偏振方向是随机的、不规则的。
椭圆偏振光:这种光的偏振方向也在有规律地旋转,但它的光矢量强度在旋转过程中也在变化。也就是说,光矢量沿着一个椭圆旋转。椭圆偏振光在观测周期内进行平均,得到与部分偏振光相似的结果。但是,与部分偏振光不同的是,它的偏振方向和光矢量的大小是按照一定的规律变化的。
水、玻璃和其他非金属表面的反射可以用偏振滤光片来消除,因为反射光的偏振态在这些界面上发生了变化。
光在不同折射率的介质界面上发生反射和折射。入射角、反射角和折射角之间的关系分别服从反射定律和折射定律。在非金属界面上,当入射光与折射光成直角时,反射光将是线偏振光,这就是著名的布儒斯特原理。此时的入射角称为布鲁斯特角。从下图可以看出,光从空气进入介质2(介质1,严格来说应该是真空)时,布儒斯特角的正切等于介质2的折射率n。由于介质的折射率与光波的波长有关,所以对于同一种介质,布儒斯特角的大小也与光波的波长有关。根据光学玻璃1.4-1.9的折射率计算,布儒斯特角约为54-62度。当入射角偏离布儒斯特角时,反射光将部分偏振。
圆偏振片由一个线偏振片和一个四分之一波片组成。四分之一波片是由各向异性介质制成的。光在这种介质中传播时,可以分解为光矢量相互垂直的两种线偏振光,一种称为普通光,另一种称为非常光。两种光在介质中以不同的速度传播。当一束线偏振光以适当的方向入射到这种介质中时,可以分解成强度相等的O光和E光,并在介质中传播。
由于O光和E光在各向异性介质中的传播速度不同,分解成线偏振光的O光和E光在入射时具有相同的相位。经过一定的传播距离后,O光和E光之间会有一定的相位差。但是,如果O光与E光的相位差不为90°,则合成光将是椭圆偏振光,具有不同的椭圆度。
五金件胶水检测
检测五金件上透明胶水的有无,光路大部分会因为光透射的原因造成无法观察到胶水,而偏振片能消除金属表面的镜面反射光,保留因胶水凹凸不平造成的漫反射光,从而能看到胶水被打白的效果。