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偏振光学成像主要是通过拍摄多张（一般为三张或四张）由不同偏振片调制的强度图像并提取偏振信息来实现的。
偏振成像的基本原理和优势
通过空间校正，线扫描偏振相机可以检测传统成像无法检测到的双折射、应力、表面粗糙度和物理特性。
光有三个基本属性：强度、波长和偏振。 如今，几乎所有相机都是为单色或彩色成像而设计的。 单色相机用于测量像素级宽带光谱的光强度，而彩色或多光谱相机用于检测红色、绿色、蓝色和近红外波段的光强度。 同样，偏振相机用于捕捉多偏振状态下的光强度。
根据友邦保险最近的一项市场调查，全球机器视觉市场达到76亿美元，其中80%来自黑白相机，20%来自彩色相机。 虽然偏振片是一种常用的机器视觉类型，但到目前为止，还没有线扫描偏振相机用于捕获多个偏振状态的图像。
偏振具有许多优点，不仅可以检测几何形状和表面，还可以测量传统成像无法检测到的物理特性。 在机器视觉中，它可用于增强难以区分的物体的对比度。 结合相位检测技术，偏振成像比传统成像方法灵敏得多。
偏振滤波技术
就像人眼一样，硅不能确定光的偏振。 因此，在图像传感器前面需要一个偏振滤光片。 图像传感器通过滤光片定义的偏振状态检测光的强度。
最常见的偏振滤光片可分为三种类型：分时滤光片、分振滤光片或焦平面滤光片（表1）。 在分时偏振测量中，当液晶、偏振片或光弹性调制器等偏振元件旋转或调制时，数据按时间顺序获得，其速度受调制器的限制。 在当今的许多应用中，通常需要大约 100 kHz 的高线路速率; 分时滤波器有其固有的局限性，并且由于其复杂的设计而价格昂贵。
对于分幅滤光片，光被分成不同的光路，每个光路都有一个独立的传感器。 棱镜是最常用的组件，但通常难以实现高装配精度，并且通常需要很大的空间来安装棱镜。
对于焦平面分裂滤光片，在焦平面中放置一组微偏振片以定义不同的偏振状态。 该技术适用于紧凑、稳定、低成本的设计。 然而，对于面阵成像仪来说，空间分辨率存在固有的缺点，因为每个像素只提供自然偏振状态的一个数据。 该算法用于插值其他算法。
传感器架构
可用的偏振相机（图1）包含一个采用四线结构的CMOS传感器。 由纳米线组成的微偏振器阵列放置在硅上，间距为140nm，宽度为70nm，而在前三个线性阵列上，偏振滤光片的取向分别为°和90°。 滤波光的强度由底层的阵列记录。 第四个通道是未经滤波的阵列，可捕获相当于传统图像的总强度，而有源阵列之间的间隙可减少空间串扰。
图1偏振相机原理图是传感器结构。 将纳米线微偏振滤光片放置在硅（Si）上，并在前三个线性阵列上分别定义了0°（S°和90°（p）偏振态。 第四个数组是未滤波的通道，用于记录传统的未滤波图像。 由 Teledyne Dalsa 友情提供。
光是一种电磁波。 它的电场、磁场和传播方向是正交的。 极化方向定义为电场的方向。 垂直于纳米线振荡方向的电场方向的光会通过滤光片，而平行于纳米线振荡方向的光会被滤除。 当线扫描相机以与反射结构成一定角度安装时，0°通道传输s偏振光（偏振方向垂直于入射平面），而90°通道传输p偏振光（偏振方向平行于入射平面）。 假设相机I0、I90、I135和IUF的输出分别从°偏振通道和未滤波通道输出，则s偏振态和p偏振态的强度分别为：
线扫描和使用微偏振器滤光片的面阵扫描之间的主要区别在于每个像素的原始偏振状态数据量。 面阵成像仪通常使用0°、45°、90°和135°偏振滤光片，这些滤光片以所谓的超像素格式排列，其中每个像素捕获一个原始偏振状态。 然后使用插值算法根据相邻像素的信息计算另外三个状态。 由于空间分辨率的损失，数据精度不高。 另一方面，对于线阵相机，每个偏振状态都是 100% 采样的。 对多个固有偏振态数据进行了物理测量。 纳米线微偏振滤光片的对比度如图2所示。
图2纳米线微偏振器滤光片的对比。 由 Teledyne Dalsa 友情提供。
根据波长的不同，对比度在 30 到 90 之间。 在未来的设计中可以实现更高的对比度。
斯托克斯参数S0、S1、S2等常用于分析材料的物理性能。 微分极化、线性极化度 （DOLP） 和极化角 （AOP） 都是有用的参数。
图像可视化
偏振图像与传统的基于强度的图像基本无关。 在视觉系统中，数据处理可以在每个特定的偏振态或其组合下实现。 考虑到人类无法看到偏振图像，这很有用。 彩色编码偏振图像可能是最受欢迎的图像之一，因为它们不仅提供视觉感知，而且还可以在彩色成像中利用标准数据结构和传输协议。
图3彩色编码偏振图像 （a） 与使用塑料尺上的偏振相机捕获的传统未滤波图像 （b）。 在偏振图像中，RGB分别表示0°（S°（P）和135°偏振状态。 由 Teledyne Dalsa 友情提供。
图 3 显示了偏振相机捕获的塑料尺的彩色编码偏振图像，其中 RGB 分别表示 0°（S 偏振°（P 偏振）和 135° 偏振状态。 还比较了未滤波通道捕获的传统图像。 显然，偏振成像显示了塑料尺内部的应力积聚，这是常规成像无法检测到的。
可检测性
由于所需的线速度约为 100 kHz，物体分辨率降低到亚微米，机器视觉行业在可检测性方面面临许多挑战。 不同的技术相继被开发出来，例如提高信噪比的时延积分，以及获得光谱特性的彩色和多光谱成像。 然而，基于材料物理特性的检测需要更高的对比度。 偏振在这里起着关键作用，因为它对表面或界面上的任何变化都非常敏感。 由于采用了相位检测技术，基于偏振的成像比基于强度的成像更灵敏。
图4透射结构：偏振器将光源转换为线偏振光。 当线偏振光穿过物体时，由于双折射，它通常会变成椭圆偏振。 可以使用可选的补偿器，例如 4 板。 最后，图像由偏振相机拍摄。 由 Teledyne Dalsa 友情提供。
透射结构（图4）通常用于透明材料，如玻璃和薄膜。 偏振片通常用于将光源转换为线偏振光。 当线偏振光穿过物体时，由于物体的双折射，通常会发生椭圆偏振。 光路中还提供可选的补偿器（例如 4 块板）。 最后，图像由偏振相机拍摄。 偏光片和补偿片的角度可以调节，以达到最佳性能。 反射结构（图5）用于不透明材料。 来自半导体和金属等许多材料的反射光都与偏振有关。
图5反射结构：偏振器将光源转换为线偏振光。 当线偏振光从物体上反射时，反射光通常会变成椭圆偏振。 旋转偏振片和补偿器的角度以获得最佳性能。 由 Teledyne Dalsa 友情提供。
偏振器将光源转换为线偏振光。 当线偏振光从物体上反射时，反射光通常会变成椭圆偏振。 通过旋转偏振片和补偿器的角度，可以获得到达相机的线偏振光。 它的结构类似于椭圆仪器。 不同之处在于，相机不使用旋转分析仪，而是以横向空间分辨率同时捕获不同的偏振状态。 光是线性光源，不是点光源。
例如，在任何一种结构中，当物体的物理性质因缺陷而发生变化时，改变的偏振状态与物体的其他状态不同。 然后，高灵敏度的偏振相机检测到这种变化。
图6偏振图像 （a） 与传统未滤波图像 （b） 一副眼镜。 螺钉周围的应力出现在偏振图像中，在常规图像中不可见。
机械力引起双折射，从而改变透射光的偏振状态，如一对玻璃上的一对应力螺钉所示（图 6）。 从未滤波的通道可以看出，这种应力无法通过常规成像检测到。
请注意表面有划痕的电子电路图像（图 7）。 在偏振图像中，由于对比度增强，表面缺陷更加明显。
图7印刷电路的偏振图像 （a） 与传统未滤波图像 （b） 的对比。 使用偏振成像增强对比度时，表面会显示出传统成像无法检测到的小划痕。 由 Teledyne Dalsa 友情提供。
线扫描偏振成像将椭偏仪的强大功能与真正的横向分辨率相结合。 椭圆是20世纪70年代发展起来的一种非常灵敏的光学技术，其垂直分辨率仅为纳米的一小部分。 它广泛用于确定材料的物理性质，如薄膜厚度、材料成分、表面形貌、光学常数，甚至晶体无序。 后来开发的椭圆机成像增加了一定程度的横向分辨率。 但是，由于使用了点光源，因此具有较小的视场（微毫米），因此仅适用于显微镜。 使用线性传感器和线性光源的线扫描偏振成像克服了这一局限性。
布鲁斯特角成像
椭圆仪器的入射角一般选择接近布鲁斯特角
其中 n 是物体的折射率，它与波长有关。 用于玻璃，n 152 和 b 56°，硅，n 344 和 b 74°，波长为 633 nm。
在布鲁斯特角下，p偏振光的反射最小，s偏振和p偏振之间的反射率差异最大，因此灵敏度最高。 当非偏振光入射到布鲁斯特角下并且相机安装在镜面角时，P 通道捕获暗信号，而 S 通道仍捕获来自反射的正常信号。 如果全p偏振光入射到布鲁斯特角下，则以相同角度安装的相机会捕捉到黑暗的背景。 由于缺陷或杂质等原因导致的表面任何偏差，都会导致发光区域。 然后可以获得高对比度的图像。 但是，线扫描的挑战之一是，当视场远大于传感器的长度时，情况并非如此。
总之，线扫描偏振成像将高灵敏度偏振相位检测与真正的横向分辨率相结合，为下一代视觉系统提供了在许多所需应用中的可检测性。
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