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。

一、偏振基礎原理

1. 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3 P2方向與線偏振光方向水平

圖4 P2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。

2、偏振光源光路原理

2.1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。

圖5 偏振片 （左），圖6 偏振鏡 （右）

2.2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。

二、視覺行業典型應用

1、偏振光源

下圖展示了偏振光源的典型系統組成，主要應用部件為常規光源、起偏器和檢偏器。起偏器集成在光源前部，使得自然光轉換為線偏振光，經鏡面反射后透過鏡頭前的檢偏器，保證二者正交角度即可阻擋簡單的鏡面反光，有效去除（抑制）眩光發生。

a、藥片檢測

針對醫療行業中常見的藥片漏裝、缺陷檢測，常常由于表面氣罩包的存在導致成像存在眩光（局部過曝），難以清晰地觀測內部藥片情況。此時可以通過偏振光源實現表面清晰成像，去除氣罩包鏡面反射導致的眩光等現象。

b、讀碼器

隨著工業4.0的高速發展，產品追溯已滲透至各行各業，追溯使用的條碼標記也不僅僅局限于平面，而是更多地被標記于弧面、球面等反光表面，同時由于可能存在的條碼外包裝高反等情況，對于讀碼器的讀碼能力帶來了更高要求。

而針對成像反光等情況，很多讀碼器兼容偏振功能，通過配備半偏振/全偏振鏡頭罩，實現二維碼圖像的清晰獲取。

c、AGV導航

常見AGV導航技術包含磁條導航、二維碼導航、紋理導航、激光導航及視覺導航等方式，利用不同的信號反饋定位AGV實時位置以進行搬運作業。以二維碼導航及紋理導航為例，常常利用集成在AGV下方的下視相機結合光源進行底面二維碼/紋理信息采集，通過識別/匹配算法實現AGV的實時定位，具有定位精度高、穩定性好等優勢。

但考慮到二維碼材質、地面狀態（環氧地坪等），很容易造成反射燈珠成像、局部過曝等現象，常常采用偏振鏡頭罩解決，分別在光源前方進行起偏和鏡頭前方檢偏，通過兩組偏振片的過濾，消除鏡面反射效應。

2、偏振導航

天空光具有相對穩定的偏振分布，以Rayleigh散射理論為基礎，基于斯托克矢量和地平坐標系，就可以建立簡單的天空光偏振分布模型。因此在一定時間、地點觀測天空，可以得到一幅穩定的光偏振分布圖，獲得探測目標的偏振度、偏振方位角信息，實現載體航向信息的獲取。

相較于傳統導航定位系統，成像式仿生偏振導航裝置外形更加小巧，重量更加輕便，光敏感性、集成度可以加優越，受外界環境干擾更小。

3、偏振相機

許多視覺系統都試圖克服玻璃、塑料和金屬等反光表面產生的動態或多余光線、反射、朦朧和眩光影響。偏振相機提供四組偏振角分別為 90°、45°、135°和 0°的偏振圖像，以根據照明條件的變化，以及相對運動和方向做出補償，改善在挑戰性照明條件下的圖像質量和決策時間。

同時除了補獲常規的亮度和顏色信息外，還可以補獲正常圖像傳感器無法檢測到的偏振信息，使得其能在能見度低、拍攝畫面困難情況下進行檢測，借助偏振度及偏振方向等偏振特性實現廣泛應用。