LED的偏振特性实验及其在机器视觉中的应用*

曹 兰

(漳州职业技术学院电子工程学院,363000,福建省漳州市)

0 引 言

在光的偏振实验中,我们认识了起偏和检偏,以及光的偏振特性. 光的偏振特性被广泛应用于视觉检测里的图像采集[1-2]. 在进行图像采集时,由于金属或绝缘表面反射光线时会产生部分偏振,造成镜面反射,影响成像效果. 解决的方法是,在相机前面加上偏振滤镜,旋转偏振滤镜到一定位置可以抑制部分偏振. 但由于非偏振光被物体反射后会产生部分偏振,所以更好的解决方法是使光线到达检测物时先转换成偏振光. 这样我们用2个偏振片,安装在镜头上的偏振片起到检偏镜的作用,光源上的偏振片起到起偏镜的作用. 只要将检偏镜和起偏镜呈90度,反射造成的偏振光就会被消除或减弱了[3-4]. 为进一步探究偏振实验及LED偏振光源在工程中的应用,本课题根据偏振光检测原理,测量了5种光源的偏振光强,分析了各种光源的偏振特性.

1 偏振光检测原理

偏振光检测原理图如图1所示,旋转检偏器P2一周,可以看到屏幕上会逐渐交替显现两次最明两次最暗. 其光强变化分析如下：

图1 偏振光检测原理

自然光经过起偏器P1后,得到振动平面平行于P1偏振化方向的平面偏振光,其振幅为A. 在经过晶片其光强为

Ao=Asinα,Ae=Acosα，

α为起偏器主界面与晶片光轴的夹角.过检偏P2器后,只存在振动平面平行于检偏器P2主截面的分量Aoe和Aee.

Aoe=Aosinβ=Asinαsinβ,

(1)

Aee=Aecosβ=Acosαcosβ.

(2)

这两束光是同频率、不等振幅、振动平面在同一平面的相干光. 透射光的光强为

(3)

若强度为I的平面偏振光直接通过检偏器,即δ=0,出射光强为

I=Icos2(α-β)=Icos2θ,

(4)

其中θ为平面偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角.

2 LED光源偏振实验

2.1 实验原理

LED光源偏振实验原理如图2所示[5-6]. 光源经过平行光学装置可以得到平行光,经过起偏器P1之后形成线偏振光,经检偏器片P2到达光电池,光电池将偏振光强转换为电压信号,经差分放大和A/D转换为数字信号在计算机中进行处理和分析.

图2 LED光源偏振实验原理图

实验时,起偏器P1和检偏器片P2采用光电直径为2.54 cm的教学实验偏振片,光电池的参数是采光面积为10×10 mm2,工作光谱范围为300～1000 nm[7-8]. 为减少共模信号干扰,采用差分放大器,24位A/D转换器[9]. 测量时旋转台在水平面上绕垂直轴旋转,步进角度为1.0°,每间隔20°采集一次数据,每个数据测量6次取平均值. 正反各转180°之后共采集到20个数据.

2.2 实验结果及分析

本次LED的偏振实验主要用到白色和蓝色的LED光源,作为对比,添加激光、白炽灯、以及白炽灯与滤光片组合3种光源. 每种光源在P2旋转一周时测得的光电压值如表1所示,每种光源的偏振光强随角度的变化曲线如图3所示,结果分析如下：

表1 5种偏振光源的光电压随偏振角变化的值

(1)光的偏振特性实验中,理想光源应满足到达光电池的最小光强为零,从图3可看出只有激光作为光源到达光电池时最小光电压为零,LED光源的最小光强也接近零. 这说明在偏振特性试验中,激光是一种理想光源,LED也是较为理想的光源.

图3 5种偏振光源的光电压随偏振角度变化的曲线

(2)除激光外,其它偏振光源,到达光电池的光强恒大于0,LED光源的最小光强也接近零,这说明激光是相干光,而白炽灯并非相干光. 这里需要说明的是,激光的相干性是激光器里的谐振腔产生出来的,不是任何两束激光都是相干光,一般要求是同一个光源发出的激光.

(3) 白炽灯光作为偏振光源,光电池端测得的光电压波动很小,说明起偏器和检偏器对白炽灯的整个光谱几乎不起作用. 在其后添加宽带蓝色薄膜滤光片后,从图3可以看出,滤光片吸收了某些波长的光,使测得的光强减弱,但并不影响其偏振特性. 这说明在偏振特性试验中,白炽灯不是理想的光源.

(4) LED灯作为偏振光源,光电池端测得的光电压变化较明显. LED已遍及可见光、红外线及紫外线,光度也提高到相当的宽度,而且光的单色性较好、寿命长、调整方便. 这说明在偏振特性试验中,LED光源是较为理想的光源.

3 LED偏振光源的工程应用

3.1 偏振成像原理

在光源中,通常用斯托克斯矢量S=[IQUV]T来描述光的偏振特性.I,Q,U,V分别是X方向线偏振,Y方向线偏振,+45°线偏振,左旋圆偏振.当光照射在物体上时,物质的偏振性质会改变光的强度以及偏振状态. 光学元件对光偏振态的变化,一般用Mueller矩阵来描述,其入射光的斯托克斯参量Sin与透射光的斯托克斯参量Sout的关系如公式[10-11]

Sout=M·Sin,

(5)

Mueller矩阵包含了物质的各种结构特征,通过研究物质的Mueller矩阵就可以得到物质的结构特征信息. 物质的Mueller矩阵可以根据光的偏振状态的改变计算得到. 例如偏振片的Mueller矩阵为

(6)

其中,θ表示偏振片的偏振化方向与水平方向上的夹角. 如1/4玻片的Mueller矩阵表示为

(7)

Mueller矩阵包含了物质全部的偏振特征信息,表示偏振信息的主要参量有强度、偏振角和偏振度,其中线偏振度和偏振角如公式(8)所示

(8)

(9)

根据式(8)和式(9),以及如上计算斯托克斯向量原理,就可以测量得到入射光照射在物体上的偏振信息,这即为偏振成像.

3.2 LED偏振光源在机器视觉中的应用

在机器视觉检测系统中,LED偏振光源克服了大量的工件反光问题[12-13]. 本课题在视觉基础实验平台上进行打光实验,采用LED光源结合偏光镜片和偏光板,可以消除打光时产生的反光现象. 在对金属螺钉进行打光实验时,金属螺钉纹理光滑且有部分突起特征. 图4为采用普通LED环光照明时,检测目标与背景对比不够突出,检测目标较为模糊. 图5为采用LED双偏振环光打光的效果,金属螺钉与背景对比突出,便于图像处理.

图4 LED普通环光对金属螺钉打光效果 图5 LED双偏振环光对金属螺钉打光效果

在工业应用上,以工件表面字符检测为例. 图6的工件上包着包装膜. 若用常规LED光源照明,会因为薄膜上的强反光而阻止大部分光进入到工件,而使工件模糊不清. 图7 为采用LED双偏振光源能克服反光,增加漫反射,让大部分光进入到工件从而使工件更清楚. 因此,采用偏振光源进行打光可以消除或减弱光滑工件表面的反光或亮斑.

图6 LED常规光源对工件薄膜表面打光效果 图7 LED双偏振光源对工件薄膜表面打光效果

4 结 论

本课题研究了5种光源的偏振特性试验,通过对比偏振光强变化来分析5种光源的偏振特性. 实验表明偏振镜或检偏镜具有光谱波段选择性；LED光源由于单色性好、光谱波段窄,偏振光强会变化明显,可以作为机器视觉的理想光源. 将LED偏振光源应用到工业机器视觉打光实验中,可以明显消除或减弱工件表面的反光,突显良好的图像效果,在机器视觉检测系统中发挥着重要作用,解决了大量工程难题.