2019-12-17 15:19:11 qq_24694761 阅读数 21

光学和电学具有诸多相似的地方,本文针对两个平面偏振光的合成进行讨论。

从波动光学中我们可以得到:

  • 相同频率、相同振幅、相位也完全相同的两电磁波,合成的依然是平面偏振光;
  • 相同频率、相同振幅、相位差为pi/2的两电磁波,合成的是右旋圆偏振光;
  • 相同频率、相同振幅、相位差为-pi/2的两电磁波,合成的是左旋圆偏振光;
  • 相同频率、相同振幅、相位差为0~pi/2的两电磁波,合成的是椭圆偏振光;

上述四条对于掌握圆二色谱的基本原理有一定帮助。

同时我们知道:

空间相差90度,相位相差90度(利用电容)的两相交流电可以合成一个旋转电磁场;

本matlab程序包含两个子函数:Polarization.m和OutGif.m,前者作图并输出gif文件,后者用于设定gif的参数。

可以在这里下载

%% 偏振光演示
function [] = Polarization(A,f,Tend,Tint,Angle)
if nargin == 0
    A = [1,2];    % 幅值,可改参数哈
    f = [1,1];    % 频率,可改参数哈
    Tint = 0.01;  % 每帧的时长,可改参数哈
    Tend = 1;     % 运行一秒,可改参数哈
    Angle = pi/2;   % 相位,可改参数哈,注意单位
end
%% 开始作图
figure('color',[1,1,1]);
w = 2*pi*f;
iter = 0;
x = [];
y = [];
for t = 0:Tint:Tend
    iter = iter+1;
    % 线偏振光
    X = A(1)*sin(w(1)*t);
    plot([0,X],[0,0],'r','LineWIdth',1.5);
    hold on;
    plot([X,X],[0,0],'ro','LineWIdth',1.5,'MarkerFaceColor','r');
    % 另外一个线偏振光
    Y = A(2)*sin(w(2)*t+Angle);
    plot([0,0],[0,Y],'b','LineWIdth',1.5);
    hold on;
    plot([0,0],[Y,Y],'bo','LineWIdth',1.5,'MarkerFaceColor','b');
    % 合成
    plot([0,X],[0,Y],'k','LineWIdth',1.5);
    hold on;
    plot([0,X],[0,Y],'ko','LineWIdth',1.5,'MarkerFaceColor','k');
    % 轨迹
    x = [x X];
    y = [y Y];
    plot(x,y,'k--','LineWIdth',0.5);
    % 其他作图设置
    hold off
    axis equal
    xlim([-A(1),A(1)]);
    ylim([-A(2),A(2)]);
    axis off
    M = getframe();
    OutGif(M,'POLAR',iter,Tint)
end

end
%% 输出gif文件(简易版)
function Status = OutGif(GetFrameOutput,FileName,NumFrame,LoopTime,Path)
if nargin == 3
    LoopTime = 0.3;
    Path = 'C:\Users\ZLY\Desktop';
elseif nargin == 4
    Path = 'C:\Users\ZLY\Desktop';
end
% Status = PathCheck(Path);
imind = frame2im(GetFrameOutput);
[imind,cm] = rgb2ind(imind,256);
T = datestr(now,1);
if NumFrame == 1
    imwrite(imind,cm,strcat(Path,'\',[T,FileName],'.gif'),'gif','LoopCount',inf,'DelayTime',LoopTime);
else
    imwrite(imind,cm,strcat(Path,'\',[T,FileName],'.gif'),'gif','WriteMode','append','DelayTime',LoopTime);
end
end

运行结果:

不同参数对比
    A = [1,2];    % 幅值
    f = [1,1];    % 频率
    Tint = 0.01;  % 每帧的时长
    Tend = 2;     % 运行时间
    Angle = pi/2; % 相位

 

    A = [1,1];    % 幅值
    f = [1,1];    % 频率
    Tint = 0.01;  % 每帧的时长
    Tend = 2;     % 运行时间
    Angle = pi/2; % 相位

 

    A = [1,1];    % 幅值
    f = [1,1];    % 频率
    Tint = 0.01;  % 每帧的时长
    Tend = 2;     % 运行时间
    Angle = -pi/2; % 相位

 

    A = [1,1];    % 幅值
    f = [1,1];    % 频率
    Tint = 0.01;  % 每帧的时长
    Tend = 2;     % 运行时间
    Angle = pi/3; % 相位

 

    A = [1,1];    % 幅值
    f = [1,2];    % 频率
    Tint = 0.01;  % 每帧的时长
    Tend = 2;     % 运行时间
    Angle = 0; % 相位

 

    A = [1,1];    % 幅值
    f = [1,2];    % 频率
    Tint = 0.01;  % 每帧的时长
    Tend = 2;     % 运行时间
    Angle = pi/3; % 相位

 

    A = [1,1];    % 幅值
    f = [1,2];    % 频率
    Tint = 0.01;  % 每帧的时长
    Tend = 2;     % 运行时间
    Angle = pi/2; % 相位

 

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2017-05-29 19:48:18 SH_UANG 阅读数 1196

索尼新型CMOS图像传感器内置偏振元件

2016-12-28 MEMS



索尼在2016 IEEE国际电子器件会议(IEDM 2016)介绍了一款内置偏振元件的新型背照式CMOS图像传感器。 在普通偏振相机上,成像元件和偏振元件是分开的,偏振元件放在位于CMOS图像传感器受光部上方的片上透镜(On-chip lens)和外置保护玻璃之间。而此次发布的新型CMOS图像传感器则是在光电二极管的上方直接放置用金属线栅制作的偏振元件,实现了单芯片化。因此可以制造比以往更小、成本更低的偏振相机。



左:传统传感器 右:新型传感器原型


抑制鬼影


偏振元件是一种只让特定偏振状态的光透过而把其他光全部反射出去的滤镜。新型传感器原型上搭载的偏振元件有4种,分别让不同偏振方向(偏振角)的线性偏振光透过(0度、45度、90度、135度)。索尼强调,作为偏振相机(传感器)指标的透射率和消光比都没有问题。消光比方面,在400nm~700nm波段实现了比以往偏振相机更高的消光比。此外还具有灵敏度和消光比对入射角依存度低等优点。


另外,新型CMOS图像传感器在偏振元件(金属线栅)上方另外设置了防反射层,使来自该元件的反射光不射入镜头,因此大大减少了偏振元件造成的鬼影现象。



左为4种偏振元件。右为偏振元件发挥功能的线栅和抑制鬼影的防反射层


最后,索尼在演讲中公布了CMOS图像传感器原型的规格和彩色样片。


新型CMOS图像传感器原型的规格:

- 规格:1/2.8“ 320万像素(水平2065 垂直1565)

- 像素尺寸:2.5 x 2.5 m

- 帧率:120fps

- 透射率:63.3%

- 消光比:85

- 使灵敏度减半的入射角:30 (垂直和水平)

- 制造工艺:90nm

- 线栅间距:150nm


样片拍摄的是一个透明的盒子以及盒子里的物品。左图采用的是普通CMOS图像传感器,可以明显看到因反射而在盒子上产生的投影。而采用新型CMOS图像传感器的样片(右图)则消除了反射。


2015-03-10 10:56:12 daisyhd 阅读数 3086

对偏振光的认识,开始于3D偏振电影,其原理很容易理解“左眼偏振片的偏振化方向与左面放像机上的偏振化方向相同,右眼偏振片的偏振化方向与右面放像机上的偏振化方向相同,这样,银幕上的两个画面分别通过两只眼睛观察,在人的脑海中就形成立体化的影像了。” 所以,对于偏振光成像,一直以为应用场景就是sensor经过偏振片之后,接收特定矢量方向的偏振光源,而生成理想的图像。

近期看到皮肤检测仪中也有偏振光模式,至于为何能投射到真皮层尚未可知,但是可以明显对比一般模式下照射的皮肤,很容易被皮肤上的水和油脂所产生的高亮面而误导判断结果,而转用偏振光模式后,可以很清晰地看到清爽的皮肤纹理。一直以为这个偏振光模式中,在sensor前面加了偏振片,是为了接收特定的偏振光源,滤掉其他振幅方向上的光,这样就不会产生强反射面而清晰成像,没想到自己的理解貌似是错误的,源于看到下面一个博友的分析。

“光在其前进方向一边垂直振动一边前进,但是如果平均看,无论是哪个方向,都是以相同强度边振动边前进的话,那么这个光称为自然光或非偏振光。 自然光在物体表面反射后,该反射光的振动强度将发生部分变化,发生变化的部分称为部分偏振光。 但是,当光以某个角度入射透明物体时,其反射只有含前进的、一个面振动的光。 这种状态的光称为完全偏振光,即直线偏振光或平面偏振光。 另外,虽说光在前进中经常发生部分偏振光,但是照片拍摄中遇到的是直线偏振光的情况。 例如,在观看橱窗时,我们经常遇到橱窗外面的风景反射出来,或者发光,看不清橱窗内的陈列。 这是因为橱窗表面的直线偏振光太亮,内部的反射光较弱的缘故,这时如果用偏振光滤光片过滤掉反射光的话,则可以利用内部的反射光进行拍摄,结果可以清晰地拍摄橱窗内的陈列。”[转自 :http://bbs.zol.com.cn/dcbbs/d395_282.html]

竟然产生强反射的是偏振光。现实生活的成像中过多的是需要把这种偏振光滤掉,而非接收。

如下述几种应用:

  • 偏振眼镜(驾驶&钓鱼等场景)

在阳光充足的白天驾驶汽车,从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光,常会使眼睛睁不开。由于光是横波,所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此,只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。

  • 汽车车灯和前驾驶窗玻璃

汽车夜间在公路上行驶与对面的车辆相遇时,为了避免双方车灯的眩目,司机都关闭大灯,只开小灯,放慢车速,以免发生车祸。如驾驶室的前窗玻璃和车灯的玻璃罩都装有偏振片,而且规定它们的偏振化方向都沿同一方向并与水平面成45度角,那么,司机从前窗只能看到自已的车灯发出的光,而看不到对面车灯的光,这样,汽车在夜间行驶时,即不要熄灯,也不要减速,可以保证安全行车。

  • 摄像机镜头

自然光在玻璃、水面、木质桌面等表面反射时,反射光和折射光都是偏振光,而且入射角变化时,偏振的程度也有变化。在拍摄表面光滑的物体,如玻璃器皿、水面、陈列橱柜、油漆表面、塑料表面等,常常会出现耀斑或反光,这是由于反射光波的干扰而引起的。如果在拍摄时加用偏振镜,并适当地旋转偏振镜片,让它的透振方向与反射光的透振方向垂直,就可以减弱反射光而使水下或玻璃后的影像清晰。


补充一些基本概念:

自然光

光波是横波,即光波矢量的振动方向垂直于光的传播方向。通常,光源发出的光波,其光波矢量的振动在垂直于光的传播方向上作无规则取向,但统计平均来说,在空间所有可能的方向上,光波矢量的分布可看作是机会均等的,它们的总和与光的传播方向是对称的,即光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同,这种光就称为自然光
完全偏振光

(a)线偏振光
光矢量端点的轨迹为直线,即光矢量只沿着一个确定的方向振动,其大小随相位变化、方向不变,称为线偏振光。
(b)椭圆偏振光
光矢量端点的轨迹为一椭圆,即光矢量不断旋转,其大小、方向随时间有规律的变化。
(c)圆偏振光
光矢量端点的轨迹为一圆,即光矢量不断旋转,其大小不变,但方向随时间有规律地变化。

部分偏振光

在垂直于光传播方向的平面上,含有各种振动方向的光矢量,但光振动在某一方向更显著,不难看出,部分偏振光是自然光和完全偏振光的叠加。

产生机理

  • 通过反射、多次折射、双折射和选择性吸收的方法可以获得平面偏振光。可采用具有选择吸收的偏振片产生平面偏振光。
  • 偏振片是用人工方法制成的薄膜,是用特殊方法使选择性吸收很强的微粒晶体在透明胶层中作有规则排列而制成的,它允许透过某一电矢量振动方向的光(此方向称为偏振化方向),而吸收与其垂直振动的光,即具有二向色性. 因此自然光通过偏振片后,透射光基本上成为平面偏振光。由于偏振片易于制作,所以它是普遍使用的偏振器。


2019-03-22 16:31:54 weixin_41284599 阅读数 998

图像处理 激光散斑解决思路和处理

大多数真实世界物体的表面是“光学粗糙的”,并呈现随机相位。假设表面高度的变化至少等于(波长)并且是均匀分布的。对于光场中的任何一点,测量强度I的概率遵循负指数分布: 在这里插入图片描述
其中u是平均强度。应该指出的是,等式1适用于完全发展的散斑,大多数真实世界物体表现出表面散射,在反射后破坏入射光的偏振态。在这种情况下,强度分布如下:
在这里插入图片描述
散斑强度遵循负指数分布
散斑的形成与这里给出的形成模型的分析是一致的,并且在其他工作中也存在,事实上,是具有随机相位分布的物体自然形成的结果。以前的FPM实现通常通过使用相干光来成像薄的生物样品,其自然地具有平滑的相位,从而避免处理散斑。
在光学成像中,明显的斑点大小与透镜孔径引起的衍射模糊混合在一起。因此,传感器平面上的散斑大小约为最小可分辨图像特征的两倍(2.44lf / d)。通过合成增加光圈直径来减少衍射模糊。也可以减少散斑的大小。
从方程3和4可以看到,斑点强度遵循负指数分布,这与乘性噪声模型一致。重要的是要注意,散斑不是传统意义上的噪声。物体的潜在随机相位扭曲了传感器记录的强度场。 因为我们的目标是恢复高分辨率的强度图像,所以希望减轻任何表现为斑点的失真。在这个意义上,我们将散斑称为“噪声”。
许多与图像去噪技术有关的研究(包括最先进的BM3D算法)都假设了一个加性噪声模型。由于目标是最终恢复一个高质量的强度图像,在图像恢复过程中,Y ^(x)的强度被去噪。为了克服由散斑造成的乘法失真,我们首先在迭代m处用强度的自然对数将噪声转换成更方便的加法模型
在这里插入图片描述
这个时候就是加性噪声模型了,可以用常规方法去噪处理降低散斑的影响。

2018-11-14 11:01:12 weixin_41586634 阅读数 1020

偏正光和UV光这两个参数在图像处理方面很重要,由于项目开发中涉及到这两个参数,故记录之。

偏振光

偏振光( polarized light ),光学名词。光是一种电磁波,电磁波是横波。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面,光的振动面只限于某一固定方向的,叫做平面偏振光或线偏振光

振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振,它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志,只有横波才有偏振现象。光波是电磁波,因此,光波的传播方向就是电磁波的传播方向。光波中的电振动矢量E和磁振动矢量H都与传播速度v垂直,因此光波是横波,它具有偏振性。具有偏振性的光则称为偏振光。

产生机理

通过反射、多次折射、双折射和选择性吸收的方法可以获得平面偏振光。可采用具有选择吸收的偏振片产生平面偏振光。

偏振片是用人工方法制成的薄膜,是用特殊方法使选择性吸收很强的微粒晶体在透明胶层中作有规则排列而制成的,它允许透过某一电矢量振动方向的光(此方向称为偏振化方向),而吸收与其垂直振动的光,即具有二向色性. 因此自然光通过偏振片后,透射光基本上成为平面偏振光。由于偏振片易于制作,所以它是普遍使用的偏振器。

特性

横波有一个特性,就是它的振动是有极性的。在与传播方向垂直的平面上,它可以向任一方向振动。一般把光波电场振动方向作为光振动方向。如果一束光线都在同一方向上振动,就称它们是偏振光,或严格一点,称为完全偏振光。一般的自然光在各个方向振动是均匀分布的,是非偏振光。但是,光滑的非金属表面在一定角度下(称为布儒斯特角,与物质的折射率有关)反射形成的眩光是偏振光。偏离了这个角度,就会有部分非偏振光混杂在偏振光里。我们称这种光线为部分偏振光。部分偏振光是有程度的。偏离的角度越大,偏振光的成分越少,最终成为非偏振光。

应用

1.汽车车灯

2.观看立体电影

3.摄像机镜头

4.测量相关物理量

5.生物生理机能

6.CD液晶屏

7.医疗

红外偏振光治疗的特点:

①无损伤,②无痛苦,③无感染危险,④治疗时间短,⑤无副作用及并发症,⑥适应范围广,⑦作为神经阻滞的辅助疗法或替代疗法。

偏振光可用于对药物有变态反应的高龄、出血性疾病等不宜神经阻滞的患者。可与各种药物疗法并用。操作者无须较高的医疗技术,在医师指导下护士即可完成局部普通照射操作。

激光是单色线性偏振光,红外偏振光是宽谱椭圆偏振光,类似于不同波段低功率激光的复合应用。试验证明,不同波段激光复合应用的疗效多优于单一激光。

 

UV(紫外线)

UV(ultraviolet)指的是紫外线,分为真空,短波,中波,长波,超长波四种。紫外线指的是电磁波谱中波长从 10nm~400nm 辐射的总称,人们不能看到。1801 年德国物理学家里特发现在日光光谱的紫端外侧一段能够使含有溴化银的照相底片感光,因而发现了紫外线的存在。紫外线可以用来灭菌,过多的紫外线进入体内会对人体造成皮肤癌

在限定太阳辐射照度的国际标准草案中将紫外光谱的范围划分

类别介绍

UVC

UVC是波长200~280nm(纳米)的紫外光线。短波紫外线在经过地球表面同温层时被臭氧层吸收,不能到达地球表面。短波紫外线对人体可产生重要作用,因此,对短波紫外线应引起足够的重视。

UVB

UVB是波长280~320nm的紫外线。中波紫外线对人体皮肤有一定的生理作用。此类紫外线的极大部分被皮肤表皮所吸收,不能渗入皮肤内部。但由于其阶能较高,对皮肤可产生强烈的光损伤,被照射部位真皮血管扩张,皮肤可出现红肿、水泡等症状。长久照射皮肤会出现红斑、炎症、皮肤老化,严重者可引起皮肤癌。由此中波紫外线又被称作紫外线的晒伤(红)段,是应重点预防的紫外线波段。

UVA

UVA是波长 315~340nm 的紫外线。长波紫外线对衣物和人体皮肤的穿透性远比中波紫外线要强,可达到真皮深处,并可对表皮部位的黑色素起作用,从而引起皮肤黑色素沉着,使皮肤变黑,起到了防御紫外线,保护皮肤的作用。因而长波紫外线也被称做“晒黑段”。长波紫外线虽不会引起皮肤急性炎症,但对皮肤的作用缓慢,可长期积累,是导致皮肤老化和严重损害的原因之一。与 UVB 同样可到达皮肤表皮,它会引起皮肤晒伤、变红发痛、日光性角化症(老人斑)、失去透明感。它具有抗佝偻病、杀菌和免疫增强的作用。

UVA+

UVA+ 穿透力最强,可达真皮层使皮肤晒黑,对皮肤的伤害性最大,但也是对它最容易忽视的,特别在非夏季时 UVA+ 强度虽然较弱,但仍然存在,会因为长时间累积的量,造成皮肤伤害。特别是皮肤老化松弛、皱纹、失去弹性、黑色素沉淀。

 

UV 固化技术

UV 固化技术是用 UV 光线(主要波长 365nm,特殊场合 254nm)照射在含有光重合性预聚体、光重合性单体、光开始剂的涂料、接着剂或油墨等 UV 硬化树脂后,以秒单位快速硬化、干燥的技术。而通常的热干燥法、二液混合法中的重合反应法对树脂的干燥普通需要数分到数小时。

UV 表面杀菌装置广泛应用于食品、电子、半导体、液晶显示器等离子电视、水晶振动子、精密器件、化工、医学、保健、生物、饮料、农业……等等广泛领域。UV 光源照射食品、材料等表面,具有快速高效、无污染的杀菌效果,从而维持贵方产品的高品质。

如想知道详细信息,可自行百度。

光的偏振

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