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  • 偏振光相机3——偏振应用

    千次阅读 2020-12-15 23:34:49
    偏振相机的应用离不开偏振光,那么先看看如何得到偏振光信息。 如何获取偏光 在“偏振光相机2—索尼大法”中,通过采用Stokes参量计算的方式,我们可以得到几个偏振的重要信息:偏振度(DOP)、偏振类型(PTP)和...

      在之前的2篇中,介绍了偏振光的基本概念和基于SONY最新CMOS偏振传感器芯片的相机。在本篇中,我们来看看偏振相机的一些应用。偏振相机的应用离不开偏振光,那么先看看如何得到偏振光信息。

    如何获取偏光

      在“偏振光相机2—索尼大法”中,通过采用Stokes参量计算的方式,我们可以得到几个偏振的重要信息:偏振度(DOP)、偏振类型(PTP)和偏振方向(AOP)。利用这些信息,我们可以窥见不一样的世界。而得到DOP、PTP和AOP信息,前提条件是被检测的信息中有偏振信息,然后偏振相机这个检偏设备才能获取对应信息。

      自然界中最广泛存在的偏振光是由反射得到的,自然光在两种介质表面产生反射现象,反射光线一般为部分偏振光,当入射光与法线夹角恰好为布鲁斯特角时,反射光线为完全线偏光。

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            图1 反射方式形成线性偏振光

      另外一种获取线偏光的方式是增加外部偏振片。

     

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            图2 外部偏振滤镜方式形成偏振光(图片来自Dalsa)

    去强反光应用

      去除物体表面的强反光是偏振相机的典型应用之一。在工业现场,通常需要对待测物进行打光处理,待测物表面会经常会出现如图3左图的强反光现象,在图像上呈现为过曝现象,影响待测物体的检测识别。偏振相机通过计算数据信息中的偏振分量强度后,从pixel级别上去“减除”偏振信息,最终输出如图3右图中的非过曝光图像。该应用不仅在工业现场有实际需求,在智能交通领域,由于前挡玻璃的强光反射,相机很难看清车内的乘员信息,通过偏振相机内部处理滤除偏振信息后,车内情况清晰的被捕捉到。

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            图3 工业现场去强反光应用

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            图4 智能交通去强反光应用(图片来自SONY官网)

    检测物体表面缺陷

      表面缺陷检测是工业现场常见的检测之一,传统的方式都采用了基于黑白亮度的检测方式,如图5左图,通过图像上的亮度成像差异,来判断手机膜上是否存在划痕。这种检测方式对光源的角度依赖性高,检测一个被测物体,往往需要多角度打光,多次拍摄,现场检测效率不高。图5右图是采用偏振相机输出的DOP信息成像得到的图像,DOP信息相对表面缺陷表现出了非常高的灵敏度,采用DOP信息去检测表面缺陷,可以减少系统复杂度,提高检测效率。

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            图5 表面缺陷检测(图片来自Lucid)

    检测不同材质物体

      不同材质的物体,对偏振光的响应(反射强度以及电场方向角度变化)会存在差异,在一些基于灰度或者彩色相机无法区分的场合,偏振相机也许是解决问题的选择。如图6所示,丛林中的一辆车和环境比较相似,采用传统不易区分,而通过偏振相机输出的AOP信息,车辆信息被凸显出来,这在搜救设备上会有很大的意义。

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            图6 丛林中的车

    透明物体内部应力

      偏振相机另一个特别的应用是检测透明物体内部应力。被测物内部应力的均匀性,会影响透过被测物的偏振光,通过偏振相机输出的DOP或者AOP信息,可以将内部应力分布可视化。如图7所示,b图是基于亮度相机拍摄图像,a图是偏振相机的AOP信息,清晰的反应了直尺内部应力的分布情况。

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            图7 直尺内部应力图(图片来自Dalsa)

    Imalg观点

        

      偏振相机在早期只出现在实验室设备中,基于SONY最新技术的偏振相机,将这种技术从实验室带到了工业现场。它的应用远远不止前面提到的几种,其它的应用比如导航,水下拍摄,去雾霾拍摄等等。

     

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  • 对近年来国内外学者对径向偏振光的研究现状进行了综述,简要介绍了径向偏振光的电场特性、产生方法及其应用。通过分析总结认为,采用衍射光栅反射镜是产生高功率和高质量径向偏振激光的新的发展趋势之一。
  • 偏振光模式与偏振光滤镜

    千次阅读 2015-03-10 10:56:12
    偏振光的认识,开始于3D偏振电影,其原理很容易理解... 所以,对于偏振光成像,一直以为应用场景就是sensor经过偏振片之后,接收特定矢量方向的偏振光源,而生成理想的图像。 近期看到皮肤检测仪中也有偏振光

    对偏振光的认识,开始于3D偏振电影,其原理很容易理解“左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同,右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同,这样,银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察,在人的脑海中就形成立体化的影像了。” 所以,对于偏振光成像,一直以为应用场景就是sensor经过偏振片之后,接收特定矢量方向的偏振光源,而生成理想的图像。

    近期看到皮肤检测仪中也有偏振光模式,至于为何能投射到真皮层尚未可知,但是可以明显对比一般模式下照射的皮肤,很容易被皮肤上的水和油脂所产生的高亮面而误导判断结果,而转用偏振光模式后,可以很清晰地看到清爽的皮肤纹理。一直以为这个偏振光模式中,在sensor前面加了偏振片,是为了接收特定的偏振光源,滤掉其他振幅方向上的光,这样就不会产生强反射面而清晰成像,没想到自己的理解貌似是错误的,源于看到下面一个博友的分析。

    “光在其前进方向一边垂直振动一边前进,但是如果平均看,无论是哪个方向,都是以相同强度边振动边前进的话,那么这个光称为自然光或非偏振光。 自然光在物体表面反射后,该反射光的振动强度将发生部分变化,发生变化的部分称为部分偏振光。 但是,当光以某个角度入射透明物体时,其反射只有含前进的、一个面振动的光。 这种状态的光称为完全偏振光,即直线偏振光或平面偏振光。 另外,虽说光在前进中经常发生部分偏振光,但是照片拍摄中遇到的是直线偏振光的情况。 例如,在观看橱窗时,我们经常遇到橱窗外面的风景反射出来,或者发光,看不清橱窗内的陈列。 这是因为橱窗表面的直线偏振光太亮,内部的反射光较弱的缘故,这时如果用偏振光滤光片过滤掉反射光的话,则可以利用内部的反射光进行拍摄,结果可以清晰地拍摄橱窗内的陈列。”[转自 :http://bbs.zol.com.cn/dcbbs/d395_282.html]

    竟然产生强反射的是偏振光。现实生活的成像中过多的是需要把这种偏振光滤掉,而非接收。

    如下述几种应用:

    • 偏振眼镜(驾驶&钓鱼等场景)

    在阳光充足的白天驾驶汽车,从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光,常会使眼睛睁不开。由于光是横波,所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此,只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。

    • 汽车车灯和前驾驶窗玻璃

    汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时,为了避免双方车灯的眩目,司机都关闭大灯,只开小灯,放慢车速,以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片,而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角,那么,司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光,而看不到对面车灯的光,这样,汽车在夜间行驶时,即不要熄灯,也不要减速,可以保证安全行车。

    • 摄像机镜头

    自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时,反射光和折射光都是偏振光,而且入射角变化时,偏振的程度也有变化。在拍摄表面光滑的物体,如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等,常常会出现耀斑或反光,这是由于反射光波的干扰而引起的。如果在拍摄时加用偏振镜,并适当地旋转偏振镜片,让它的透振方向与反射光的透振方向垂直,就可以减弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。


    补充一些基本概念:

    自然光

    光波是横波,即光波矢量的振动方向垂直于光的传播方向。通常,光源发出的光波,其光波矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向,但统计平均来说,在空间所有可能的方向上,光波矢量的分布可看作是机会均等的,它们的总和与光的传播方向是对称的,即光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同,这种光就称为自然光
    完全偏振光

    (a)线偏振光
    光矢量端点的轨迹为直线,即光矢量只沿着一个确定的方向振动,其大小随相位变化、方向不变,称为线偏振光。
    (b)椭圆偏振光
    光矢量端点的轨迹为一椭圆,即光矢量不断旋转,其大小、方向随时间有规律的变化。
    (c)圆偏振光
    光矢量端点的轨迹为一圆,即光矢量不断旋转,其大小不变,但方向随时间有规律地变化。

    部分偏振光

    在垂直于光传播方向的平面上,含有各种振动方向的光矢量,但光振动在某一方向更显著,不难看出,部分偏振光是自然光和完全偏振光的叠加。

    产生机理

    • 通过反射、多次折射、双折射和选择性吸收的方法可以获得平面偏振光。可采用具有选择吸收的偏振片产生平面偏振光。
    • 偏振片是用人工方法制成的薄膜,是用特殊方法使选择性吸收很强的微粒晶体在透明胶层中作有规则排列而制成的,它允许透过某一电矢量振动方向的光(此方向称为偏振化方向),而吸收与其垂直振动的光,即具有二向色性. 因此自然光通过偏振片后,透射光基本上成为平面偏振光。由于偏振片易于制作,所以它是普遍使用的偏振器。


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  • Matlab-GUI在偏振光实验中的应用.pdf
  • 偏振光相机1——偏振光

    千次阅读 2020-11-22 12:11:42
    的电磁波属性 是一种电磁波,这个概念大家应该不陌生。...波长表征了的颜色属性,波长450nm附近的是蓝色,波长在550nm附近的是绿色,波长在650nm附近的是红色。那么电场的方向表.

    光的电磁波属性

     光是一种电磁波,这个概念大家应该不陌生。既然是电磁波,那我们从电磁波的特性上来看它有哪些属性。用图1中的交变电磁场来描述光的特性,电场和磁场在空间中相互垂直,它们同时与光的传播方向垂直,属于横波,由于磁场和电场处于空间垂直状态,因此习惯只标识出电场。图1中表现了电场的3个属性,分别是振幅、波长和方向。振幅表征了光信号的强度信息,振幅越大,则光强更强。波长表征了光的颜色属性,波长450nm附近的光是蓝色光,波长在550nm附近的光是绿色光,波长在650nm附近的光是红色光。那么电场的方向表征了什么呢?很遗憾,电场方向表征的特征信息人的裸眼无法感受到其存在。

    图1 光的电磁波属性

    非偏光与偏振光

     自然光源基本都是非偏光,也就是说在与传播方向垂直的平面上各个方向都有电磁波存在,并且各个方向的幅度都是均匀分布。反之,不满足这一条件的称为偏振光。下面先来具体看看如何获取偏振光,图2的例子中,灯泡发出的光对应电磁波各向均匀,是典型的非偏光,光线在经过一个偏振片后,仅仅保留了一个方向的电磁波,而且方向是固定的,这就是典型的线性偏振光。从理论上来说,就是二维平面的矢量投影到一维上,最终输出的线性偏振光的强度为非偏光的1/2.

                    图2 非偏光与线偏光

     

    起偏与检偏

      人的裸眼无法直接感受到电磁波的方向,但通过一个偏振的实验,人眼可见间接的感受到光的空间电磁波特性。图3中的自然光(非偏光)经过一个起偏器(偏振片)后,透过的光为线偏光,在光路上增加一个检偏器(偏振片),通过检偏器的光线依然是线偏光。人眼观察透过检偏器的光线,可以发现,旋转检偏器,透过检偏器的光线强度也会发生变化。如果记线偏光的振动方向与检偏器的偏振化方向的夹角为α,那么检偏器输出的信号强度I=I0*cos2α(马吕斯定律)。图4给出这一个实验的动态示意图。

                                    图3 起偏与检偏

                        图4 起偏与检偏实验

    偏振光的类型

     从电磁场的方向和幅度信息表征来看,除线性偏振光外,还有椭圆偏振光,圆形偏振光以及部分偏振光。

    图5 不同类型的偏振光

    线性偏振光

      在空间中,电场的方向维持在一个固定方向。

    椭圆偏振光

     在空间中,电场的方向随着传播路径是变化旋转的,并且幅度也在变化。根据旋转方向的不同,可以分为左旋椭圆偏振光和右旋椭圆偏振光。

    圆形偏振光

     在空间中,电场的方向随着传播路径是变化和旋转的,但幅度保持不变。根据旋转方向的不同,可以分为左旋圆偏光和右旋圆偏光。

    部分偏振光

     线性偏振光、椭圆偏振光或者圆形偏振光与非偏光的混合,称为部分偏振光。

    自然界中一种常见的偏振光获取方式

     除了前面提到的采用偏振片的方式得到偏振光,自然界中广泛存在着由反射形成的偏振光。如图6,入射光线在两种不同的介质表面发生了反射和折射,假定入射光是非偏光,一般来说,经过反射的光线是部分偏振光,当入射角度为一个特定的角度时,反射光为完全线偏光,这个时候的入射角度称为布鲁斯特角,该角度的值与两种介质的折射率n1和n2相关。ib=tan-1(n2/n1)。

     

     

            图6 反射形成偏振光

    生活中的偏振光

     大家在拍照时经常会遇到的一种情形,对着水面拍照,岸边或者天空的倒影非常明显,如果拍摄对象是水中的物体,那么这些倒影就是干扰。摄影老手会在镜头前增加一个偏振滤镜,拍出来的照片就完全不一样了,图7中的两张图片为安装偏振滤镜前后的对比图。这就是自然界中的非偏光经过了水面反射后,反射光线中存在大量偏振光的很好例子。反射的偏振光信息被安装的镜头前的偏振滤镜吸收,消除了干扰,因此相机可以拍摄到水面下的物体。

        图 7 安装偏振滤镜前后对比

         LCD屏幕也是偏振应用的一个很好例子,LCD中前后共有两个偏振片,假设没有中间的液晶层和Color filter层,如果设置前后两个偏振片的偏振方向互相垂直,那么背光源的光经过第一个偏振片后输出某一个方向的线偏光,这个线偏光在经过第二个偏振片的时候,被完全吸收,最终人眼看到的是黑色。增加了液晶层后,通过对液晶的控制,可以改变偏振光的方向,根据马吕斯定律,通过检偏器的光线强度满足I=I0*cos2α,输出的光信号强度变为可控制。也就是说,通过外部电气的方式,控制液晶分子,从而控制检偏器偏振化方向和偏振光振动方向夹角α,最终控制对应的输出亮度,再加上Color Filter,就可以同时控制液晶显示器亮度和颜色。

                图8 液晶工作原理简图

    Imalg观点

        虽然人的裸眼无法感受到光的电磁波方向信息,但我们可以借助其它方式,间接去获取该信息,并加以应用。下一篇中会介绍基于SONY偏振图像传感器的相机。

     

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  • 基于Matlab的偏振光的仿真模拟及其应用.pdf
  • 偏振光相机2——索尼大法

    千次阅读 2020-11-22 12:13:09
    在上一篇“偏振光相机-偏振光”中,我们知道偏振光有线性偏振光、椭圆偏振光、圆偏光。那么如何定量的描述偏振光呢?Stokes矢量是一种广泛用来描述偏振光属性的方法。 图1不同类型的偏振光 线性偏振光和圆形...

    Stokes参量  

      在上一篇“偏振光相机-偏振光”中,我们知道偏振光有线性偏振光、椭圆偏振光、圆偏光。那么如何定量的描述偏振光呢?Stokes矢量是一种广泛用来描述偏振光属性的方法。

                图1 不同类型的偏振光

      线性偏振光和圆形偏振光都可以当作椭圆偏振光的特殊形式,如图2所示,当椭圆的短轴b=0时,此时的椭圆偏振光为线偏光,当椭圆的短轴b=a时,此时的椭圆偏振光为圆偏光。

                  图2 椭圆偏振光几何描述

        1852年,斯托克斯(Stokes)提出用四个参量来描述光波的强度和偏振态。它们分别是:S0 、S1 、S2 和S3 。S0表示总的入射光强,S1表示x分量和y分量的光强差,S2表示+45°和-45°偏振分量光强差,S3表示左旋和右旋圆偏振分量光强差。在计算中,一般对S0 、S1 、S2 和S3 进行归一化处理,S0的值在0和1之间,S1 、S2 和S3 的值在-1到+1之间。对于自然非偏光,Ix=Iy,I+45=I-45,Il=Ir。如果S1、S2或者S3不为0,则说明存在偏振光。

    Ix------0°方向光强

    Iy------90°方向光强

    I+45------45°方向光强

    I-45------135°(或者称之为-45°)方向光强

    Il------左旋圆偏振光强

    Ir------右旋圆偏振光强

    S0=I0=Ix+Iy=I+45+I-45=Il+Ir

    S1=Ix-Iy

    S2=I+45-I-45

    S3=Il-Ir

    对于全偏振光:S02=S12+S22+S32

    对于部分偏振光:0< S12+S22+S32<S02,部分偏振光,可以分解为偏振光加上自然光

    偏振度DOP(Degree of Polarization):用来表征部分偏振光中偏振光部分的比例:

                                        

    偏振类型PTP(Polarization Type)用来描述偏振部分的形状:

    偏振方向AOP(Angle of Polarization),椭圆主轴与传统坐标系x轴的夹角θ:

    传统偏振技术

      传统的偏振相机,通过旋转偏振片的角度实现,这种实现方式需要外部机械结构的配合,整体相机一般偏大,适合用在科学研究领域。

                图3 传统偏振相机

    SONY偏振技术

       SONY推出了独特的偏振图像传感器IMX250MZR/MYR和IMX253MZR/MYR。该系列偏振图像传感器采用了如图4所示的结构。与传统方式不同,偏振滤片不是在相机外部,而是在传感内部。在2x2的邻域内,分别有0°、45°、90°和135°共4个方向的filter。这款图像传感器能直接输出Ix、Iy、I+45和I-45的数据,Stokes参量中的S0、S1、和S2都能方便的计算。

    A) 微透镜B) 防反射膜 C) 偏振滤片 D) Metal层 E)感光photodiode

                    图4 SONY偏振传感器

    DOP图像 &AOP图像

      传统的相机输出灰度和颜色信息,偏振相机不仅仅能输出灰度与颜色信息,以0°、45°、90°和135°不同偏振角度数据为基础,计算Stokes参量,得出DOP和AOP信息,如果将DOP的信息mapping到256灰阶的图像上,将会看到裸眼视觉不一样的信息。图5a的图像是大家熟知的灰度成像,图5b(来自SONY官网)是基于SONY图像传感器相机输出的DOP图像,在这个例子中,DOP图像凸显了玻璃表面的沾污与划痕。图6a和图6b给出了另外一个对比——普通RGB相机图像和AOP信息图像。AOP图像中不同颜色分布,体现了镜片内部应力的不均匀。

     图5a                       图5b

    图6a                     图6b

     

                             图7 AOP伪彩映射

    Imalg观点

         基于SONY提供的独特偏振图像传感器,简单易用的偏振相机成为可能。而通过偏振的相机,我们可以了解到不为人眼所见的另一个奇妙世界。在下一篇中,我们会介绍基于偏振相机的不同应用案例。

     

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