Polarisationstechnologie in der IBV Verborgene Details sichtbar machen

Bild 1: Bei Verwendung eines Polarisators wird nur der Teil des Lichts durchgelassen, der parallel zur optischen Achse des Polarisators schwingt.

Bildverarbeitung auf Basis von polarisiertem Licht bietet interessante Möglichkeiten, um verborgene Produkteigenschaften wie Spannungen in Kunststoffen und Gläsern zu erkennen oder Fehlerinspektionen durch Folien hindurch zu realisieren.

Für Fotografen zählen Polarisationsfilter zum gängigen Handwerkszeug, um unerwünschte Lichtreflektionen auszufiltern und so besonders kontrastreiche Bilder aufzunehmen. Bekannt ist die Technologie auch von polarisierten Sonnenbrillen, die den Filtereffekt eindrucksvoll beim Blick auf Wasser offenbaren.

Seit der Vorstellung des ersten CMOS-Bildsensors von Sony mit „Polarsens“-Technologie – des IMX250MZR mit 5,1 MPixel Auflösung – und des im vergangenen Jahr präsentierten IMX253 mit 12,4 MPixel können auch industrielle Bildverarbeiter integrierte Polarisationsfunktionen auf Pixel-Ebene nutzen, um bestimmte Aufgaben zu lösen. Die Sensoren sind in der Lage, Licht in vier Ebenen mit 0°, 45°, 90° und 135° zu filtern und nur den Teil des Lichts durchzulassen, der parallel zur optischen Achse des jeweiligen Polarisators schwingt. Für jede Berechnungseinheit verwendet der Sony-Sensor dazu vier Nanodraht-Arrays, die mit den genannten Winkeln ausgerichtet sind. Dabei befindet sich der Polarisator als Schicht zwischen den Fotodioden und den Mikrolinsen. Dieser intelligente Aufbau des Sensors reduziert den unerwünschten Effekt des Übersprechens (Crosstalk), der dann auftritt, wenn polarisiertes Licht auf einen benachbarten Bildpunkt trifft.

So schwingt das Licht

Um die Funktionsweise von Polarisationskameras besser zu verstehen, lohnt sich ein Blick auf die physikalischen Grundlagen. Licht lässt sich durch eine sich ausbreitende elektromagnetische Transversalwelle beschreiben, bei der eine elektrische Welle und eine magnetische Welle senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung schwingen (Bild 1).

Die Polarisation wird durch die Schwingungsebene der elektrischen Welle definiert. Üblicherweise ist das Licht nicht polarisiert; alle Schwingungsrichtungen der elektrischen Wellen sind also gleich wahrscheinlich. Ist nur eine Schwingungsrichtung vorhanden, spricht man von linear polarisiertem Licht. Sind die Phasen der senkrechten und parallelen Komponenten der elektrischen Welle unterschiedlich, ist das Licht elliptisch polarisiert. Zirkular polarisiertes Licht dagegen entsteht, wenn die Phasen beider Komponenten genau um 90° verschoben sind. Diese Aussagen gelten für das gesamte elektromagnetische Spektrum und somit auch für das Lichtspektrum, zu dem die Bereiche ultraviolettes Licht (UV), sichtbares Licht mit Wellenlängen zwischen 440 und 650 nm, nahes Infrarotlicht (NIR) und kurzwelliges Infrarotlicht (SWIR) zählen.

Wie bereits erläutert, besteht unpolarisiertes Licht aus vielen Wellen, die zufällig in verschiedenen Richtungen schwingen. Beispiele dafür sind Glühlampen oder Sonnenlicht. Diese Form der Beleuchtung hat in der industriellen Bildverarbeitung den Nachteil, dass sich vor allem bei Prüfobjekten mit glänzenden Oberflächen Reflektionen in Teilbereichen praktisch nicht vermeiden lassen.

Polarisiertes Licht bedeutet hingegen, dass alle von einer Lichtquelle ausgehenden Wellen die gleiche Polarisation aufweisen und somit in den Richtungen sowie dem Betrag der Amplituden der elektrischen Felder gleich sind. Durch die geschickte Nutzung von polarisiertem Licht lassen sich somit unerwünschte Reflektionen ausfiltern. Wie die nachfolgenden Beispiele zeigen, ermöglicht dies in bestimmten Fällen eine vereinfachte und bessere Überprüfung optischer Merkmale an Objekten.
Mithilfe des sogenannten Stokes-Vektors lässt sich die Polarisation des Lichts quantitativ bestimmen und mathematisch darstellen. Dieser Vektor besteht aus vier Werten, mit denen sich die Richtung und Intensität und somit der Grad der linearen, zirkularen oder elliptischen Polarisation elektromagnetischer Wellen definieren lässt.

Nach der Aufnahme von Objekten mit einer Polarisationskamera ist es möglich, Bilder für die ersten drei Stokes-Parameter darzustellen. Diese lassen sich in einem weiteren Schritt zur Berechnung der linearen Polarisation (DoLP, Degree of Linear Polarisation) und des Polarisationswinkels (AoMP, Angle of Mean Polarisation) verwenden. Zur besseren Visualisierung können die DoLP- und AoMP-Bilder auch auf den HSV-Farbraum (Hue, Saturation, Value) abgebildet werden, etwa um Spannungen in der Struktur von Objekten aus Kunststoff einfacher darzustellen.