基于线偏振度的材料识别方法

本发明属于材料识别，具体涉及一种基于线偏振度的材料识别方法。

背景技术：

1、近些年来，随着机器视觉工业技术的迅速发展，如何利用计算机技术实现对不同物体区分和识别已经成为人工智能、工业自动化等众多应用领域的热门话题。全自动光学检验技术不仅由于具有人工成本低、速度快、精度高、非接触、无损等优点，且适用于各种不便于人工操作的复杂场景。在众多光学检测技术中，基于光学偏振特性的检测方法能够提供目标更丰富的信息，特别是对于单靠光强和光谱信息难以区分的目标。因此，准确获取目标的偏振特性是开发基于偏振特性检测技术的关键。近年来，人们围绕材料表面光学偏振特性的测量开展了大量的研究工作，研究发现材料表面的线偏振度容易受入射光波长和材料表面粗糙的影响，这在很大程度上影响目标的识别效果。因此，准确获取目标表面的线偏振度，通过数据处理消除波长、表面粗糙度的影响有助于推动目标识别的发展及其在相关领域的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于线偏振度的材料识别方法。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、基于线偏振度的材料识别方法，包括以下步骤：

4、(1)采集各类材料不同角度下镜面反射方向的线偏振度，构建其随角度变化的曲线数据库；

5、(2)采集目标样品不同角度的线偏振度，构建目标样品线偏振度曲线；

6、(3)将样品线偏振度曲线与线偏振度曲线数据库中的线偏振度曲线进行对比，线偏振度随角度变化曲线重合即为目标样品对应的材料。

7、优选的，所述步骤(1)和步骤(2)中采集不同角度线偏振度的具体方法为：

8、设定入射方位角φi＝0°、反射方位角φr＝180°；反射天顶角θr和入射天顶角θi相等，即θi＝θr，测量角度范围为：10-80°，间隔为5°。分别测量样品表面的值，代入公式(1)，计算线偏振度：

9、

10、所述φi为入射方位角，φr为反射方位角；

11、所述θi为入射天顶角，θr为反射天顶角；所述dolp为线偏振度；

12、所述为s偏振光分量的辐射亮度；

13、所述为p偏振光分量的辐射亮度；

14、为s偏振光的辐射强度；

15、为p偏振光的辐射强度；

16、rs是s偏振光的反射率

17、rp是p偏振光的反射率；优选的，所述步骤(1)中还包括对线偏振度进行一阶微分处理，构建线偏振度一阶微分曲线数据库。

18、优选的，所述步骤(2)中还包括对线偏振度进行一阶微分，构建目标样品线偏振度一阶微分曲线。

19、本发明方法原理如下：

20、根据微面元理论，粗糙表面可以认为是由大量的微面元组成的。虽然物体表面不是光学平滑的，但是每一个微面元可以认为是光学平滑的，可以看做理想镜面。每一个微面元都有法线，这些法线的方向和宏观样品表面的法线方向不尽相同，这些法线的方向分布可以用法线密度分布函数来描述。因此，当一束光照射到粗糙表面时，将会被微面元反射至空间各个方向，即产生散射，如图1所示。

21、在测量中，当探测立体角足够小时，探测器只能够接收到某一特定方向的散射光。因此，设定入射方位角φi＝0°、反射方位角φr＝180°；反射天顶角θr和入射天顶角θi相等，即θi＝θr，则测量的结果为法线方向与样品表面垂直的微面元的反射光，满足菲涅尔公式(2)：

22、

23、为s偏振反射光的电场强度、为s偏振入射光的电场强度、θt为透射天顶角、为p偏振反射光的电场强度、为p偏振入射光的电场强度。

24、根据菲涅尔公式和折射定律(公式(3))，能够得到线偏振度与角度和折射率变化之间的关系式(4)：

25、n1sinθi＝n2sinθt  (3)

26、

27、其中，n1和n2分别表示介质1和介质2的折射率；θi和θt分别是入射角天顶角和折射角；rs和rp分别是s和p分量的反射系数；rs和rp分别是s和p偏振光的反射率。从公式(4)能够看出，对于给定目标，其折射率是定值，那么线偏振度随角度的变化曲线是独一无二的。因此，对于不同折射率的材料，线偏振度随角度变化的曲线是不同的。以此为基础，本发明提出了一种利用光的线偏振度识别并区分不同材质目标的方法。

28、根据辐射亮度的定义，探测立体角对应的辐射强度ir可分别表示为：

29、

30、对于均匀平行光，如果立体角足够小上式可以写为：

31、

32、和分别是s和p偏振光分量下的辐射强度，da是微面元素。dolp可以通过测量和获得。为入射方位角、为反射方位角，λ为波长

33、具体的，针对不同材质以及同种材质表面粗糙度不同的目标，测量偏振辐射强度：

34、s1、在φi＝0°、φr＝180°，波长范围1200-2400nm,θi＝θr，角度范围为：10-80°，间隔为5°的条件下，分别测量不同材质目标表面的值。

35、s2、根据式(1)以及s1中所测数据计算得出不同材质的dolp，得到dolp随天顶角的变化曲线，分析波长对其影响，以证明dolp随角度的变化曲线不受波长的影响。

36、s3、在φi＝0°、φr＝180°，波长范围1200-2400nm,θi＝θr，角度范围为：10-80°，间隔为5°的条件下，分别测量不同材质目标以及同一材质不同粗糙度目标表面的值。

37、s4、同理，基于s3测得数据可计算dolp。分析得出：对于同一材质的目标，其表面粗糙程度对dolp随角度的变化曲线基本无影响。

38、综上所述，波长λ、粗糙度对dolp随角度的变化曲线无影响，可根据dolp随角度变化的曲线来区分不同材质目标，从而达到目标识别的目的。

39、与现有技术相比，本发明方案的有效效果为：

40、(1)消除波长、目标表面粗糙度的影响，利用dolp随角度的变化曲线能更好地区分不同材质的目标；

41、(2)方法计算简单，无需测量大量参数，无需进行复杂的计算，只需计算不同偏振lr的测量结果。

技术特征：

1.基于线偏振度的材料识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于线偏振度的材料识别方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)中采集不同角度线偏振度的具体方法为：

3.根据权利要求1所述的基于线偏振度的材料识别方法，其特征在于，所述步骤(1)中还包括对线偏振度进行一阶微分处理，构建线偏振度一阶微分曲线数据库。

4.根据权利要求1所述的基于线偏振度的材料识别方法，其特征在于，所述步骤(2)中还包括对线偏振度进行一阶微分，构建目标样品线偏振度一阶微分曲线。

技术总结
本发明公开了基于线偏振度的材料识别方法，包括以下步骤：(1)采集各类材料在不同角度下镜面反射方向的线偏振度(DOLP)，构建线偏振度随角度变化的曲线数据库；(2)采集目标不同角度的线偏振度，构建线偏振度随角度变化的曲线；(3)将样品线偏振度曲线与线偏振度曲线数据库中的线偏振度曲线进行对比，线偏振度曲线重合即为目标样品对应的物品。本发明能够有效消除波长、目标表面粗糙度对DOLP的影响，从而利用DOLP能更好地区分不同材质的目标；该方法所需参数少、计算简单，只需计算两次偏振辐射亮度的测量结果。

技术研发人员：刘彦磊,王宣宣,李龙飞,张凯华,于坤,刘玉芳
受保护的技术使用者：河南师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11