偏振光学成像技术，核心在于通过拍摄多幅（通常为三幅或四幅）经不同检偏器调制的强度图像，进而提取其中的偏振信息。这一技术融合了空间校正功能，使得线扫描偏振相机能够探测到双折射、应力、表面粗糙度等物理特性，甚至捕捉到常规成像方法无法检测到的特征。

光，作为自然界中的一种重要物理现象，具备强度、波长和偏振三大基本属性。而偏振成像，正是利用这一特性，在多偏振状态下捕捉光的强度变化。与传统的单色或彩色相机不同，偏振照相机提供了更全面的图像信息。

近年来，机器视觉市场持续繁荣。据AIA公司市场调查显示，2015年机器视觉全球市场已达7.6亿美元，其中单色相机占据80%的市场份额，彩色相机则占20%。尽管如此，目前市场上尚无线扫描偏振相机能够捕捉多偏振状态的图像，这无疑为偏振成像技术带来了巨大的市场潜力。

偏振成像不仅在检测几何和表面方面表现出色，更能够测量常规成像方法无法捕捉的物理性质。在机器视觉应用中，它能够有效增强难以区分的物体对比度，与相位检测技术相结合后，其成像灵敏度更是远超传统成像方法。

然而，要实现偏振成像，必须克服一系列技术挑战。例如，硅基图像传感器无法直接感知光的偏振，因此需要在传感器前加入偏振滤波器。目前常见的偏振滤波器可分为时间分割、振幅分割和焦平面分割三种类型。虽然时间分割滤波器能够提供较高的测量速度，但其设计复杂且成本高昂，仍需进一步优化以适应市场需求。
对于振幅分割的滤波器，其工作原理是将光分成不同的光路，并为每条光路配备一个独立的传感器。尽管棱镜是常用的部件，但实现高装配精度往往非常困难，且需要较大的空间来安装。

相比之下，焦平面分割滤光器在焦平面上设置一个微偏振片阵列来定义不同的偏振态。这种技术适合紧凑、稳定且低成本的设计。然而，对于区域扫描成像仪来说，由于每个像素仅提供一种自然偏振状态的数据，因此在空间分辨率上存在固有的局限性。这种算法常用于对其他算法进行插值处理。

此外，偏振相机的传感器体系结构也是一个关键因素。一个典型的偏振相机可能包含一个具有四线架构的CMOS传感器。该传感器上的微偏振器阵列由纳米线组成，纳米线的螺距和宽度分别为140nm和70nm。在前三个线性阵列中，偏振滤光片的取向分别为0°、135°和90°，用于过滤不同方向的光强度。而第四个通道则是一个未经滤波的阵列，它捕获的总强度相当于一幅传统图像，同时通过减小有源阵列之间的间隙来降低空间串扰的影响。
图1展示了偏振相机的传感器结构。纳米线微偏振器滤光片被安置在硅(Si)基底上，其中前三个线阵分别定义了0°(S)、135°和90°(P)的偏振态。而第四个数组则是一个未经过滤的通道，用于记录传统的未经过滤的图像。这一设计由Teledyne Dalsa公司提供。

光作为一种电磁波，其电场、磁场和传播方向相互垂直。偏振方向即指电场方向。当光束的电场方向垂直于纳米线的振荡方向时，该光束能够穿过滤光片；而当电场方向平行于纳米线时，则会被滤除。

在偏振相机中，线扫描相机与腹板成一定角度安装，使得0°通道仅传输s偏振光，而90°通道则传输p偏振光。假设相机的输出为i0、i90、i135和iUF，分别代表0°、90°、135°偏振和未滤波通道的输出，那么s偏振态和p偏振态的强度可以通过这些输出进行计算。

值得注意的是，使用微偏振器滤镜的线扫描与面扫描之间存在关键差异。区域扫描成像仪通常采用所谓的超像素格式，其中每个像素仅捕获一个原始偏振态。然后，通过插值算法结合相邻像素的信息来计算其他三个状态。然而，这种方法可能导致空间分辨率的损失，进而影响数据精度。相比之下，线扫描相机则能够为每个偏振态提供100%的采样率，从而获取更全面的自然偏振态数据。

此外，纳米线微偏振器滤光片的对比度也是一个重要的物理特性。它决定了滤光片对不同偏振方向的光的过滤效果。这一对比度特性对于确保偏振相机的性能至关重要。
图2展示了纳米线微偏振器滤光片的对比度特性，该特性由Teledyne Dalsa公司精心设计并提供。对比度随波长的不同而有所变化，范围在30至90之间。值得一提的是，未来有望进一步优化设计，以实现更高的对比度。
在偏振分析中，Stokes参数如S0、S1、S2等扮演着关键角色，它们常被用来深入探究材料的物理特性。同时，差分偏振、线性偏振度（DoLP）以及偏振角（AOP）等参数也为偏振研究提供了有力支持。

对于偏振图像的呈现，虽然它们与基于强度的传统图像在视觉上基本不相关，但通过特定的数据处理方式，我们可以在每个独特的偏振状态或其组合中获取信息。值得一提的是，人类无法直接感知偏振图像，这使得数据处理变得尤为重要。在众多可视化方法中，彩色编码的偏振图像因其既能提供视觉感知又能利用标准数据结构和传输协议而备受青睐。
图3展示了由偏振相机捕捉到的塑料尺的彩色编码偏振图像，其中RGB色彩分别对应于0°(S)、90°(P)和135°的偏振态。同时，还提供了未经滤波的常规图像以供对比。显然，偏振成像能够揭示塑料尺内部积累的应力，这是常规成像方法无法做到的。

可探测性

在机器视觉领域，随着检测线速达到约100 kHz以及物体分辨率缩小至亚微米级别，可检测性面临着一系列挑战。为了应对这些挑战，各种技术如时间延迟积分已被开发出来，旨在提高信噪比。同时，彩色和多光谱成像技术也被广泛应用于获取光谱特性。然而，对于基于材料物理特性的检测来说，更高的对比度是必不可少的。在这方面，偏振技术显得尤为重要，因为它能对表面或界面上的微小变化做出敏感反应。得益于相位检测技术，偏振成像在灵敏度上超越了基于强度的成像方法。
图4展示了透射结构，其中偏振器负责将光源转化为线偏振光。当光线穿过物体时，由于双折射效应，它往往会转变为椭圆偏振。为了处理这种情况，我们可以引入可选的补偿器，例如λ/4板。经过这些处理后，最终由偏振相机捕获图像。值得注意的是，偏振器和补偿器的角度是可以调整的，以确保获得最佳的性能。这种透射结构常用于透明材料，如玻璃和薄膜。

另一方面，反射结构（图5）则适用于不透明材料。许多材料，包括半导体和金属，其反射光都具有特定的偏振特性。因此，通过调整反射结构中的偏振元件，我们可以有效地探测和分析这些材料的物理特性。
图5展示了反射结构的工作原理。首先，偏振器将光源转化为线偏振光。当这束线性偏振光撞击到物体并反射回来时，其反射光往往会转变为椭圆偏振光。为了优化性能，我们可以调整偏振片和补偿器的角度。这种结构与椭圆仪相似，但关键区别在于，相机并非通过旋转分析仪来捕获不同偏振态，而是能够同时捕捉并分辨横向空间中的不同偏振态。此外，光源在这里呈现为线状，而非点状，从而提供了更广阔的视野。

在实际应用中，当对象的物理属性因缺陷或变化而异时，这些变化会导致偏振状态的独特改变，与对象的其他状态有所区别。随后，高灵敏度的偏振相机能够敏锐地捕捉并检测到这些变化。
图6展示了一副眼镜的偏振像（a）与传统的未经滤波的图像（b）。在偏振图像中，螺钉周围的应力清晰可见，这是因为在机械力的作用下，双折射现象产生了，从而改变了透射光的偏振状态。这种变化在常规图像中是无法察觉的。

同样，图7中的电子线路图像也显示了偏振成像的优越性。由于偏振成像增强了对比度，表面上的划痕等缺陷在偏振图像中显得更为突出。
图7展示了印刷电路的偏振像（a）与传统的未经滤波的图像（b）。通过偏振成像的对比度增强，表面上的小划痕等缺陷得以突出显示，这是常规成像方法无法做到的。
此外，线扫描偏振成像技术融合了椭圆偏振仪的卓越性能与真正的横向分辨率。椭圆偏振技术，自20世纪70年代发展以来，已成为一种极为灵敏的光学技术，其垂直分辨率可达纳米级别。该技术广泛应用于材料物理性质的测定，如薄膜厚度、材料成分、表面形态、光学常数，甚至晶体无序性。后来出现的成像椭圆仪在保持高灵敏度的同时，增加了横向分辨率。但受限于点光源的使用，其视场较小（微米至毫米范围），主要适用于显微镜观察。然而，通过采用线性传感器和线性光源，线扫描偏振成像成功扩大了视场范围。

在布鲁斯特角成像方面，椭圆仪的入射角通常被精心调整至接近布鲁斯特角，从而优化成像效果。
其中，n代表物体的折射率，它与波长紧密相关。举例来说，玻璃的折射率n约为1.52，对应的布鲁斯特角θB约为56°，而硅的折射率n约为3.44，其布鲁斯特角θB则约为74°，这是在波长为633nm的条件下的数据。在布鲁斯特角处，p偏振光的反射率降至最低，而s-偏振态与p-偏振态之间的反射率差异达到最大，从而提供了极高的灵敏度。当非偏振光以布鲁斯特角入射，且相机位于镜面角度时，p通道将捕获暗信号，而s通道则继续捕获常规反射信号。若完全的p偏振光在布鲁斯特角下入射，且相机同样角度安装，则会捕捉到纯黑的背景。任何由缺陷或杂质等引起的表面偏差都会导致区域明亮，进而形成高对比度图像。然而，行扫描面临一个挑战：当视场远大于传感器长度时，上述情况便无法满足。总的来说，线扫描偏振成像技术融合了高灵敏度的偏振相位检测与真正的横向分辨率，为下一代视觉系统在诸多应用领域提供了出色的检测能力。