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Knowledgebase Polarisationssensoren

Mit der Einführung des Polarisationssensors ist die Welt der industriellen Bildverarbeitung um eine neue Prüfmethode reicher geworden. Komplexe Aufgaben wie die Oberflächeninspektion oder die Erkennung von Spannungen und Partikeln in transparenten Materialien sind mit einer einzigen Bildaufnahme und einigen mathematischen Berechnungen ohne komplizierte Lichteinstellungen viel einfacher zu bewältigen.

Die Polarisationskamera

Neben der Helligkeit und der Wellenlänge ist die Polarisation eine der grundlegenden Eigenschaften des Lichts. Unsere exo250Z-Kamera mit dem Sony IMX250MZR-Sensor kann Polarisationsinformationen erfassen, die von herkömmlichen Bildgebungsgeräten nicht erkannt werden können. Dies öffnet die Tür zu neuen Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung und darüber hinaus. Prominente Beispiele sind die Analyse der Ausrichtung von Kohlenstofffasern, die Visualisierung von Spannungen in Glas durch spannungsinduzierte Doppelbrechung, die Verringerung von Reflexionen und Blendung oder einfach die Verbesserung des Kontrasts zwischen Materialien, die mit herkömmlichen Bildgebungsmodalitäten nur schwer zu unterscheiden sind.

Polarisationskameras (6)

The Physik

Anwendungen der industriellen Bildverarbeitung beruhen häufig auf der automatischen Analyse von digitalen Bildern. Die Bilder selbst enthalten Informationen über die Wechselwirkung von Licht mit den betreffenden Materialien. Die Art der in den Bildern erfassten Informationen hängt von der verwendeten Bilderfassungstechnologie ab.  Die digitale Monochrom- oder Farbkamera in Kombination mit einem geeigneten Objektiv dürfte in industriellen Bildverarbeitungssystemen am häufigsten zum Einsatz kommen. Sie erfassen die Intensitätsverteilung und, im Falle der Farbkamera, zusätzlich Informationen über die Wellenlänge des reflektierten oder durchgelassenen Lichts der entsprechenden Objekte.

Licht enthält zusätzliche Informationen, die zur Untersuchung von Zielobjekten verwendet werden können. Die elektromagnetischen Wellen des Lichts werden durch ihre Intensität, Wellenlänge, Phase und Polarisation charakterisiert. Mit unserer neuen Polarisationskamera können Informationen über die räumliche Verteilung des Polarisationszustands des Lichts tatsächlich erfasst werden. 

Die Polarisation ist eine Eigenschaft, die die geometrische Ausrichtung der Schwingung des elektrischen Feldes von Licht charakterisiert. Linear polarisiertes Licht zum Beispiel ist Licht, das nur in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingt. Abbildung 1A zeigt eine linear polarisierte Welle mit einer Wellenlänge. Zusätzlich zeigt die Abbildung die zirkulare Polarisation (Abbildung 1B). Sie kann beispielsweise durch die Übertragung von linear polarisiertem Licht durch optisch aktive Medien erzielt werden[1]. Hier werden wir uns hauptsächlich auf linear polarisiertes Licht konzentrieren.

Das Licht, das uns in unserer natürlichen Umgebung aus den meisten gängigen Lichtquellen begegnet, ist in der Regel unpolarisiert, d. h. das Licht besteht aus einer Vielzahl von Wellen mit statistisch verteilten Schwingungsrichtungen (siehe Abbildung 1C, links). Ein interessanter Effekt tritt auf, wenn dieses unpolarisierte Licht von dielektrischen Materialien wie z. B. Glas reflektiert wird. Diese Materialien zeigen ein unterschiedliches Reflexionsvermögen für Polarisationskomponenten, die parallel zur Oberflächennormalen des Materials polarisiert sind, im Vergleich zu den Komponenten, die senkrecht dazu polarisiert sind. Der Unterschied im Reflexionsvermögen hängt vom Reflexionsindex des Materials sowie vom Einfallswinkel ab. Daher weist das reflektierte Licht in der Regel eine Teilpolarisation auf (Abbildung 2C, rechts). Einfallendes Licht unter einem bestimmten Winkel, dem so genannten Brewster-Winkel, hat die interessante Eigenschaft, dass nur Polarisationskomponenten senkrecht zur Oberflächennormalen reflektiert werden, was zu linear polarisiertem reflektiertem Licht führt (Abbildung 1D).

[1] Einfach gesagt kann man sich linear polarisiertes Licht als eine Addition zweier kohärenter Wellen in zwei orthogonalen Richtungen vorstellen. Ein optisch aktives Medium kann einen unterschiedlichen Brechungsindex für Polarisationen entlang dieser beiden Richtungen aufweisen, sodass sich die beiden Teilwellen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch das Medium ausbreiten und eine Phasendifferenz erhalten. Die Addition dieser beiden phasenverschobenen Wellen führt zu einer elliptischen oder zirkularen Polarisation, da der resultierende elektrische Feldvektor ein elliptisches oder zirkulares Muster annimmt (Abbildung 1B). Eine zirkulare Polarisation ergibt sich bei einer Phasenverschiebung von genau 90°.

Abbildung 1: (A) Links: Lineare Polarisation Elektrischer Feldvektor. (B) Zirkulare Polarisation. (C) Unpolarisierte Lichtreflexion (D) Unpolarisiertes Licht, das an der dielektrischen Oberfläche reflektiert wird, gibt polarisiertes Licht zurück.

Measuring polarization

Um die Polarisation von Licht zu charakterisieren, können lineare Polarisatoren verwendet werden. Sie sind eine einfache und effiziente Methode, um aus unpolarisiertem Licht eine lineare Polarisation zu erhalten. Es gibt eine Vielzahl von Polarisatoren, und sie alle zu erklären, würde den Rahmen hier sprengen. Jetzt wollen wir uns auf den Gitterpolarisator konzentrieren. Dabei handelt es sich um ein optisches Element, das aus einer Anordnung von parallelen Metallnanodrähten unterhalb der Wellenlänge besteht. Die Komponente des einfallenden elektrischen Feldes, die parallel zu diesen Metalldrähten polarisiert ist, wird blockiert, sodass nur die Polarisationskomponenten senkrecht zum Nanodrahtgitter übertragen werden (Abbildung 2A). Diese Nanodraht-Gitter werden in unserer exo250Z-Kamera verwendet.

Unsere exo250Z-Kameraserie verwendet den IMX250MZR-Sensor von Sony. Dieser Sensor basiert auf dem beliebten 2/3"-IMX250-CMOS-Sensor mit einer Pixelgröße von 3,45µm. Ein quadratisches Polarisationsfilter-Array mit vier Richtungen ist direkt über dem Pixel-Array und unter den Mikrolinsen angebracht (Abbildung 2C, D). Dieser Filter besteht aus wiederholten 2x2-Mustern, die aus Gitterpolarisatoren mit vier verschiedenen Winkeln bei 0°, 45°, 135° und 90° bestehen (Abbildung 2D). Jeder Polarisator filtert das einfallende Licht so, dass nur die Polarisationskomponenten senkrecht zur Gitterausrichtung durchgelassen und von der darunter liegenden Fotodiode erfasst werden können.  Auf diese Weise kann ein Bild mit vier Polarisationsrichtungen in einem einzigen Bild erfasst werden.

(A) Ein Gitterpolarisator blockiert die Polarisationskomponente, die parallel zum Gitter verläuft (B) Gitterpolarisatoren mit unterschiedlichen Gitterausrichtungen (C) Sony IMX250MZR-Setup zur Reduzierung des polarisierten Übersprechens (D) 2x2-Filter-Array mit 4 Polarisationsgitterausrichtungen.

Anwendung der Mathematik

Bei der anschließenden Nachbearbeitung kann dieses Bild verwendet werden, um vier mit jeweils einem Polarisationsfilter gefilterte Bilder zu erhalten. Zusätzlich können die Bilder verwendet werden, um die räumliche Verteilung der Helligkeit jedes 2x2-Musters durch Mittelwertbildung sowie den zugehörigen linearen Polarisationswinkel und den Grad der linearen Polarisation zu schätzen (Abbildung 3). 

Die Pixelintensitäten eines 2x2-Musters sind ein Maß für den Anteil des Lichts mit 90° ( I90), 135° (I135), 45° (I45) bzw. 0° (I0) Polarisation (Abbildung 2D). Die Addition und Subtraktion dieser Intensitäten werden als Stokes-Parameter bezeichnet[1]:

S0 = I0 + I90
S1 = I0 - I90
S2 = I45 - I135

Der Polarisationswinkel PHI und der Grad der linearen Polarisation lassen sich leicht aus den Stokes-Parametern berechnen[2]:

Die Untersuchung dieser Werte führt zu einer Verbesserung des Bildkontrasts bei einer Vielzahl von Anwendungen im Vergleich zur Standardkamera, wie die folgenden Anwendungsbeispiele zeigen:

[1] Bitte beachten Sie, dass der vierte Stokes-Parameter, der aus den Intensitäten von rechts und links zirkular polarisiertem Licht berechnet wird, nicht aus dem Bild gewonnen werden kann.
[2] Der inverse Tangens muss so berechnet werden, dass er Werte in einem geschlossenen Intervall liefert.

Applikationsbeispiele

Die Berechnung der räumlichen Verteilung des Polarisationswinkels sowie des Grades der linearen Polarisation erhöht den Informationsgehalt der Messung.  Es gibt viele Anwendungen für solche Messungen, z. B. die Analyse der Ausrichtung von Kohlenstofffasern, die Visualisierung von Spannungen in Glas durch spannungsinduzierte Doppelbrechung, die Verringerung von Reflexionen und Blendung oder einfach die Verbesserung des Kontrasts zwischen Materialien, die mit herkömmlichen bildgebenden Verfahren schwer zu unterscheiden sind. Einige Anwendungsbeispiele sind unten aufgeführt.

The Polarized Camera

Unsere EXO Polarized-Serie ist mit USB3-Schnittstelle und mit GigE Vision-Schnittstelle erhältlich. In Bezug auf die optischen Eigenschaften (Polarisation) sind die Kameras der Serie identisch. Wählen Sie die beste Schnittstelle für Ihre Anwendung.

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