超越一般成像: Sony偏振光传感器
Classification：Reference materials
偏振- 光的一种属性
在很多实际工业应用中，低对比度以及高反光的成像环境往往会给视觉检测带来较大的挑战，而偏振传感器能帮助解决此类问题。相较于传统的彩色或黑白传感器，它能帮助发现被隐藏的材质属性，并提供更清晰的可判别图像。
应用工程师能充分利用偏振传感器的特性，将反射光或眩光过滤，对光的偏振角度进行颜色标记来增强图像对比度。产品中不同的材质也会反射和改变光的属性。通常普通的彩色和单色传感器检测光的强度和波长，而偏振传感器能检测和过滤光的反射，折射，散射所产生的偏振光。为了更好的理解Sony 偏振传感器的这种优点，我们先来探讨一下什么是偏振光。
偏振光和自然光
偏振实际上是光的一种基本属性，表述光电场振动的方向。振动方向和光波前进的方向构成的平面叫振动面。大多数的光源，比如太阳，发出非偏振光，这里我们叫自然光。自然光的振动不限于固定方向，但垂直于光波前进的方向。而偏振光的振动不像自然光的振动那样不限于固定方向，它具有固定方向或方向规则变化，其分为线偏振光，圆偏振光或椭圆偏振光。
偏振片产生的偏振
当光到达线性偏振片时，如下面的垂直和水平偏振片，振动的方向将会被过滤成只有垂直方向的偏振光或只有水平方向的偏振光。当光的振动方向被严格限定在一个平面上时，称为线性偏振。通常有各种不同类型的偏振片，如晶体，二向色性，薄膜和线栅。（这几种可以网上搜索具体解释），上图的薄膜线性偏振片可以看到他们的偏振角度。
以上：垂直和水平偏振器示例注意：在上面的示例中，薄膜偏振器上的线形表示它们的偏振角度，而不是物理线条。
反射产生的偏振
自然光可以通过非金属表面的表面反射形成偏振光。金属表面通常也可以反射入射光形成偏振光，不管入射光是偏振或非偏振的，但这种偏振并不显著。其他材料比如玻璃，塑料，水这种半透光表面的反射能偏振化一部分回到环境中的光。取决于用户和相机的位置，这种反射光有时候会引起令人反感的眩光。但是因为这种反射的偏振光垂直于入射平面，所以可以通过平行于入射平面的偏振片滤掉。
折射产生的偏振
光通过一个媒介到另一个媒介，我们知道叫做折射，折射同样能使部分自然光形成偏振光。折射后形成偏振光的光量取决于离Brewster 角度的远近。（一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布鲁斯特角，用θB表示。光以布鲁斯特角入射时，反射光与折射光互相垂直。）
以上：非偏振光因反射而改变为偏振光
偏振光的优点
偏振光在机器视觉检测中已经有比较长的历史了，如检测应力点，目标物，减少透明目标物产生的眩光等。典型的偏振系统需要一个或多个额外的偏振片，放置于目标物，光源和相机之间，能检测材料应力，增强对比度，以及分析表面的压痕或划痕。
应力检测
当偏振光穿过透明材料时，偏振光入射的角度将会被目标物不同的应力区域变换成不同的角度. 通过分配颜色至特定的偏振角度，缺陷和应力区域将能被识别出来。上面的物体显示了一个清晰的丙烯酸块的彩色图像。
减少反射
目标物通常能反射光线造成表面检测的困难。减少反射和眩光通常能给食品检测带来好处，上面的图像中，辣椒反射的光被偏振片滤掉后的效果。
增强对比
在低光照条件下，通过检测目标物的偏振角度来增强对比度。上图说明普通的低光照条件下的图像是如何被增加对比度的。
偏振摄像头可进行刮痕检查
刮痕检测
与压力检测类似，某些缺陷和划痕使用常规成像可能难以识别。 为了帮助识别表面缺陷，偏振成像可用于检测透明材料上的划痕。
用于物件检测的偏光相机
减少反射
在某些情况下，很难将对象与其环境区分开来。 使用偏振成像可以通过检测物体反射光的独特偏振角度找到物体.
Sony 的第一款偏振传感器 – 它如何工作？
Sony 在可见光成像之外的领域扩大了自己传感器技术的领导地位，他的第一个意义深远的偏振传感器是新一代的IMX250MZR（单色）传感器，在基于Pregius 5.0MP IMX250 CMOS 传感器的光电二极管上方加入一层偏振片。四个不同角度的偏振片 (90°, 45°, 135° and 0°) 分别放置于单个像元上，每四个像元一组作为一个计算单元。这一创新的4像元块设计中，通过不同方向偏振器之间的关联能够计算偏振的程度和方向。
以上：Sony四个像素块偏振器设计
Sony的IMX250MZR线性偏振阵列层是一个覆盖防反射材料来抑制闪光和重影的气隙纳米线栅。偏振阵列位于芯片上而不是玻璃上，因为这样，芯片上的偏振器会更接近二极管从而产生更高的消光比。
上方：90°、45°、135°和0°像素是每个测量偏振光（旋转红线）相对于其电网轴的。 该百分比表示光传输的上升和下降（100%等于最大传输）。 通过对比每个像素，传感器可以检测到线性偏振光的所有角度。
偏振器阵列位于芯片上，而不是在玻璃上。 由于偏振器阵列的位置在芯片上且在微镜头下方，索尼的偏振传感器能够减少由错误的像素错误检测的偏振角度产生的串扰。
以上：0°偏振光正在进入用于检测90°的像素，并将被错误地检测为90°。 由于偏振数组位于微镜头上方，发生此交叉错误。
上方：索尼的偏振传感器通过放置在芯片上的偏光片阵列，减少了串扰的可能性。 0°偏振光不能进入用于检测仅90°的像素
消光比
消光比表示通过偏振器传输偏振光的最大和最小量之间的关系。 对于线性线性网格偏振器，偏振光的最大传输与线性网格轴垂直发生。 由于这种垂直偏振角度旋转90°，我们碰到了与电线网轴平行的最小传输点。 没有偏振器是完美的。 在最大传输的角度会有一些损失，在最小传输的角度，将有一些不需要的角度通过传输。 高灭绝率可以更好地检测所需的偏振角度，而无需将其他偏振角度混合。
以上：最大传输（T最大）和最小传输（T分钟）用于计算灭绝比
使用Sony's IMX250MZR CMOS的Phoenix相机
在偏振相机的帮助下，许多在传统RGB传感器下面无法被识别的材料属性能被轻易的获取到。在IMX250 Sony Pregius CMOS mono sensor的芯片上加入纳米级偏振阵列产生了优异的消光比。Lucid 公司全新的使用该偏振传感器的Phoenix相机使用四向线性偏振器并提供了相机端的处理 ，直接输出图像像素的强度和偏振角。通过这两种创新性的产品，偏振将成为一种紧凑型的，划算的方式来解决成像中的挑战和发现被隐藏的材质属性，并作为一种更好的检测和分级方法。
