機器視覺中的偏振相機

一般的影像感測器只能量測兩件事：落在像素上的光量（強度），以及--在使用 Bayer 濾鏡時--光的顏色（波長）。然而對於光的第三項基本屬性「偏振狀態」，矽本身卻完全無法感知。偏振相機與配備偏振濾鏡的成像系統，正是用來擷取這部分資料，精確量測光波振動的角度。這讓視覺系統能夠抑制干擾檢測的鏡面反射、提升特定表面特徵的對比度，並改善對透明塑膠中細微表面瑕疵與應力圖樣的辨識能力。

運作原理：感測器上的微型偏振器陣列

在歷史上，機器視覺系統透過更為複雜的方法擷取此類資料，例如讓鏡頭前的偏振濾鏡持續旋轉以拍攝多張連續影像，或藉由分光光路將光線分配至多顆感測器。具備整合式微型偏振器陣列的影像感測器（例如 Sony 的 Polarsens™）出現後，現代偏振相機才真正適用於工業應用。

為了在單張畫面中擷取偏振資料，感測器廠商會在矽晶上方、像素陣列之上覆蓋一層線柵偏振器。此架構與彩色相機的彩色濾鏡陣列（CFA）十分類似。網格被分為不斷重複的 2×2 區塊，每個區塊中的四個像素分別覆蓋於不同方向的偏振濾鏡之下：0°、45°、90° 與 135°。

當光線打在這個 2×2 區塊上時，四個像素會同時量測這四個特定角度的光強。機器視覺軟體再以數學演算法計算 Stokes 參數（共四個值，可完整描述一束光波的偏振狀態），以判定從目標反射回來之光線的精確偏振狀態。

視覺軟體可如何運用偏振資料

由於相機可在單張畫面中擷取完整的偏振狀態，軟體得以從同一份原始資料中萃取出多種不同類型的影像：

• 線偏振度（DoLP）：計算入射光中偏振光與非偏振光所佔的比例。高反光表面（如金屬或玻璃）會強烈偏振光線，霧面表面則會將光線散射。DoLP 影像非常適合用來區分在標準灰階影像中外觀相同的不同材料。

• 線偏振角（AoLP）：計算偏振光的具體角度，並以偽彩色（pseudocolor）呈現。這裡的顏色代表的是物理角度而非波長。主要用於偵測表面 3D 朝向，以及在均勻平整材料上識別微小刮痕。

• 虛擬眩光抑制（去反光）：軟體利用偏振資料以數學方式辨識並抑制造成眩光的高度偏振分量；保留下來的非偏振分量則可呈現底層表面的乾淨影像。

偏振應用決策矩陣

當調整 LED 角度等一般光學技巧已無法解決極端的反差或反光問題時，系統整合商便會選擇偏振相機。

晶片上偏振的物理取捨

正如彩色相機的 Bayer 濾鏡一樣，在矽晶上方加裝物理網格也會帶來工程上的代價，必須在系統設計中加以考量。

1. 光靈敏度顯著下降

依定義，偏振濾鏡會阻擋與其網格未能完美對齊的光波。即便不計入線柵本身額外阻擋的光子，光是偏振濾鏡本身就會讓非偏振環境光的穿透率下降約 50%。此項損失必須以更強的照明或更長的曝光時間來補償。

2. 空間解析度下降

由於感測器必須以 2×2 像素網格運算才能得出單一個偏振資料點，因此有效空間解析度會隨之降低，與 Bayer 彩色感測器的插值取捨十分相似。