偏振圖像傳感器(Polarization Image Sensor)

文章目錄

• 偏振圖像傳感器(Polarization Image Sensor)
• • 光的電磁波屬性
  • • 光的粒子性
    • 光的波動性
    • 光的偏振
    • • 偏振片產生的偏振
      • 反射與折射帶來的偏振
  • 偏振光的應用
  • • 應力檢測
    • 減少反射
    • 增強對比
    • 刮痕檢測
  • 偏振圖像傳感器

光的電磁波屬性

光的粒子性

光是由光子組成：
$$E=hv$$
$E$為光子的能量；$h$為普朗克常數；$v$為光的頻率。光波傳播的能量是由許多單個光子組成的光子流的能量。

光的波動性

①光的干涉
當頻率相同、振動方向相同、相位相同或具有固定相位差的兩列波疊加后產生干涉現象，干涉現象的本質是光強的重新分配。
單色光：產生明暗相間的等間距的條紋，紅光的條紋間距最大，紫光的條紋間距最小
白光：中間為白色明暗條紋，；兩邊為彩色條紋
②光的衍射
光繞過尺寸小于波長的障礙物的現象，障礙物越小光越容易繞過，衍射現象越明顯。光的衍射現象與光的干涉現象類似，本質上都是相干光波疊加引起的光強的重新分布，不同之處在于，干涉是有限個相干光波的疊加，衍射則是無限多個相干光波疊加的結果
③麥克斯韋方程組
麥克斯韋方程組以一種近乎完美的方式統一了電和磁，并語言光是一種電磁波。

• 麥克斯韋方程組的積分形式：
  $$\begin{array}{l}{\oint }_S\mathbf{E}?\mathrm{d}\mathbf{a}=\frac{1}{{\epsilon }_0}{Q}_{\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{c}}\text{描述靜電的高斯電場定律}\\ {\oint }_S\mathbf{B}?\mathrm{d}\mathbf{a}=0\text{描述靜磁的高斯磁場定律}\\ {\oint }_C\mathbf{E}?\mathrm{d}\mathbf{l}=?{\int }_S\frac{?B}{?t}?\mathrm{d}a\text{描述磁生電的法拉第定律}\\ {\oint }_C\mathbf{B}?\mathrm{d}\mathbf{l}={\mathbf{\mu }}_0\left(I_{\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{c}}+{\epsilon }_0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}{\int }_S\mathbf{E}?\mathrm{d}a\right)\text{描述電生磁的安培-麥克斯韋定律}\end{array}$$

關于麥克斯韋方程組的積分形式可以閱讀文章麥克斯韋方程組(積分篇)，主要內容如下：

高斯電場定律說穿過閉合曲面的電通量正比于這個曲面包含的電荷量。

高斯磁場定律說穿過閉合曲面的磁通量恒等于0。

法拉第定律說穿過曲面的磁通量的變化率等于感生電場的環流。

安培-麥克斯韋定律說穿過曲面的電通量的變化率和曲面包含的電流等于感生磁場的環流

• 麥克斯韋方程組的微分形式：
  $$\begin{array}{l}??\mathbf{E}=\frac{\rho }{{\epsilon }_0}\text{描述靜電的高斯電場定律}\\ ??\mathbf{B}=0\text{描述靜電的靜磁的高斯磁場定律}\\ ?\times \mathbf{E}=?\frac{?B}{?t}\text{描述磁生電的法拉第定律}\\ ?\times \mathbf{B}={\mu }_0\left(\mathbf{J}+{\epsilon }_0\frac{?\mathbf{E}}{?t}\right)\text{描述電生磁的安培-麥克斯韋定律}\end{array}$$

關于麥克斯韋方程組的微分形式可以閱讀文章麥克斯韋方程組(微分篇)，主要內容如下：

高斯電場定律說電場的散度跟這點的電荷密度成正比。

高斯磁場定律說磁場的散度處處為0。

法拉第定律說感生電場的旋度等于磁感應強度的變化率。

安培-麥克斯韋定律說感生磁場的旋度等于電流密度和電場強度變化率之和。

光的偏振

振動方向相對于傳播方向的不對稱性叫做偏振，它是橫波區別于其他縱波的一個最明顯的標志，光的偏振是光的波動性的又一例證。在垂直于傳播方向的平面內，包含一切可能方向的橫振動，且平均說來任一方向上具有相同的振幅，這種橫振動對稱于傳播方向的光稱為自然光（非偏振光）。凡其振動失去這種對稱性的光統稱偏振光。平面光波是橫電磁波，其矢量的振動方向與光波傳播方向垂直：
$$E(r,t)=E_0{e}^{?i(wt?kr)}$$
根據空間任意一點電場$E$的矢量末端在不同時刻的軌跡不同，其偏振態可分為：線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光

偏振片產生的偏振

當光到達線性偏振片時，如下面的垂直和水平偏振片，振動的方向將會被過濾成只有垂直方向的偏振光或只有水平方向的偏振光。當光的振動方向被嚴格限定在一個平面上時，稱為線性偏振。通常有各種不同類型的偏振片，如晶體，二向色性，薄膜和線柵

垂直和水平偏振器示例注意：在上面的示例中，薄膜偏振器上的線形表示它們的偏振角度，而不是物理線條

反射與折射帶來的偏振

• 馬呂斯定律

  自然光經過界面反射和折射，反射光和折射光變為部分偏振光，入射光中以振動方向垂直于入射面的主，折射光中以振動方向平行于入射面的為主(即在入射面內)

• 反射產生的偏振

  自然光可以通過非金屬表面的表面反射形成偏振光。金屬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，但這種偏振并不顯著。其他材料比如玻璃，塑料，水這種半透光表面的反射能偏振化一部分回到環境中的光。取決于用戶和相機的位置，這種反射光有時候會引起令人反感的眩光。但是因為這種反射的偏振光垂直于入射平面，所以可以通過平行于入射平面的偏振片濾掉

• 折射產生的偏振

  光通過一個媒介到另一個媒介，我們知道叫做折射，折射同樣能使部分自然光形成偏振光。折射后形成偏振光的光量取決于離Brewster 角度的遠近。一般情況下反射光和折射光都是部分偏振光，只有當入射角為某特定角時反射光才是線偏振光，其振動方向與入射面垂直，此特定角稱為布魯斯特角，用θB表示。光以布魯斯特角入射時，反射光與折射光互相垂直。
  

  非偏振光因反射而改變為偏振光

• Brewster角
  如果非偏振光束(a)撞擊表面,使反射(b)和折射光束?之間有90°角度,反射光束將線性偏振. 折射光束將部分兩極分化。 反射光束和折射光束彼此垂直的發生角稱為“Brewster角”，如下圖所示：

Brewster角示意圖

偏振光的應用

偏振光在機器視覺檢測中已經有比較長的歷史了，如檢測應力點，目標物，減少透明目標物產生的眩光等。典型的偏振系統需要一個或多個額外的偏振片，放置于目標物，光源和相機之間，能檢測材料應力，增強對比度，以及分析表面的壓痕或劃痕。

應力檢測

當偏振光穿過透明材料時，偏振光入射的角度將會被目標物不同的應力區域變換成不同的角度. 通過分配顏色至特定的偏振角度，缺陷和應力區域將能被識別出來。下圖顯示了一個清晰的丙烯酸塊的彩色圖像。

減少反射

目標物通常能反射光線造成表面檢測的困難。減少反射和眩光通常能給食品檢測帶來好處，下圖中辣椒反射的光被偏振片濾掉后的效果。

增強對比

在低光照條件下，通過檢測目標物的偏振角度來增強對比度。下圖說明普通的低光照條件下的圖像是如何被增加對比度的。

刮痕檢測

與壓力檢測類似，某些缺陷和劃痕使用常規成像可能難以識別。 為了幫助識別表面缺陷，偏振成像可用于檢測透明材料上的劃痕。

偏振圖像傳感器

索尼在2016 IEEE國際電子器件會議（IEDM 2016）介紹了一款內置偏振元件的新型背照式CMOS傳感器。 在普通偏振相機上，成像元件和偏振元件是分開的，偏振元件放在位于傳感器受光部上方的片上透鏡（On-chip lens）和外置保護玻璃之間。而此次發布的新型傳感器則是在光電二極管的上方直接放置用金屬線柵制作的偏振元件，實現了單芯片化。因此可以制造比以往更小、成本更低的偏振相機。

左：傳統傳感器 右：偏振圖像傳感器

Sony的第一個意義深遠的偏振傳感器是新一代的IMX250MZR(單色)傳感器，在基于Pregius 5.0MP IMX250 CMOS 傳感器的顏色濾波陣列上方加入一層偏振片。四個不同角度的偏振片 (90°, 45°, 135° and 0°) 分別放置于單個像元上，每四個像元一組作為一個計算單元。這一創新的4像元塊設計中，通過不同方向偏振器之間的關聯能夠計算偏振的程度和方向。

Sony四個像素塊偏振器示意圖

電網偏振器將垂直于電網線路的光線偏振，偏振平行光線在垂直光線穿過時由電線反射和吸收。

偏振示意圖

由于偏振器陣列的位置在顏色濾波陣列上且在微鏡頭下方，索尼的偏振傳感器能夠減少由錯誤的像素錯誤檢測的偏振角度產生的串擾(Cross Talk)。

偏振器位于微透鏡上方，0度偏振光進入用于檢測90度偏振光的像素，將發生串擾

偏振器位于微透鏡下方，0度偏振光不能進入用于檢測90度偏振光的像素，減少了串擾的可能性

注：部分示例源自超越一般成像: Sony偏振光傳感器 | Lucid Vision Labs、索尼新型CMOS傳感器內置偏振元件

總結

以上是生活随笔為你收集整理的偏振图像传感器的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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