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  • 偏振光的应用
    2021-04-22 20:39:14

    径向偏振光的产生与应用.

    摘 要相比于其他具有传统偏振模式的光束,径向偏振光拥有更为优秀的轴向中心对称性(这种特征在传输过程中保持不变)。人们投向径向偏振光的关注越来越多。径向偏振光在高数值孔径条件下的聚焦特性在纳微级制造、操控中得到很多且正变得越来越多的应用。在这篇论文中,我们首先试图理清径向偏振光的数学理论基础,仔细地阐述径向偏振光的光束特性和紧聚焦特性,并展示一些径向偏振光在紧聚焦条件下的示意图。接着,我们介绍了利用两束偏振正交的线性偏正高斯光束产生径向偏振光的方法;总结了理想的径向偏振光与通过二元衍射光学器件产生的径向偏振光间的吻合度,以及该吻合度与传输距离的关系。作为补充,其他一些产生径向偏振光的方式也被介绍出来。紧接着,一项基于径向偏振光紧聚焦特性,被运用于微粒子操纵的应用技术(我们称之为三维光学链操纵技术)被展示出来。为此,我们设计了一个光学衍射器件来调制径向偏振输入光的位相。在紧聚焦情况下,一个光学链能产生的原因是光束通过光学衍射器上两个同轴区域时产生的位相变化,这样的位相变化使得聚焦场附近的空间中产生明暗交替的光场。最后,我们论述了另外一些将径向偏振特性转化到实际运用中的方法。关键字:径向偏振 轴对称 高数值孔径聚焦 相干叠加 三维光学链AbstractCompared with other uniformly polarized beams , the radially polarized beam performs perfect spatial axial symmetry and this special character kept when it transmits in free-space .This peculiarity gives rise to unique high-numberical-aperture focusing properties which has found important applications in nanoscale manufacture and manipulation . In this paper , we first overview those introductions we talked above .In the same time ,We also try to explain the mathematical concepts of radially polarized beam ; show some simple images of its focus properties .Then , we present a theoretical investigation of a technique for converting two orthogonally lineary polarized Gaussian beams into a radially polarized beam .We have shown the degree between the real radially polarized beam and the beam we created by a simple binary diffractive optical element ,further more,we show the results about how the transmission-distance influences the degree .By the way , we also talk about some other ways for generating radially polarized beam .After that , an application based on the focus property of radially polarized beam ,which we called optical chain ,used in particle-manipulation is shown . A diffractive optical element is designed to spatially modulate the phase of an incoming radially polarized Beam .For a tightly focused beam a three-dimensional optical chain can be formed because of the difference in the Gouy phase shift from two concentric regions of t

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      在之前的2篇中,介绍了偏振光的基本概念和基于SONY最新CMOS偏振传感器芯片的相机。在本篇中,我们来看看偏振相机的一些应用。偏振相机的应用离不开偏振光,那么先看看如何得到偏振光信息。

    如何获取偏光

      在“偏振光相机2—索尼大法”中,通过采用Stokes参量计算的方式,我们可以得到几个偏振的重要信息:偏振度(DOP)、偏振类型(PTP)和偏振方向(AOP)。利用这些信息,我们可以窥见不一样的世界。而得到DOP、PTP和AOP信息,前提条件是被检测的信息中有偏振信息,然后偏振相机这个检偏设备才能获取对应信息。

      自然界中最广泛存在的偏振光是由反射得到的,自然光在两种介质表面产生反射现象,反射光线一般为部分偏振光,当入射光与法线夹角恰好为布鲁斯特角时,反射光线为完全线偏光。

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            图1 反射方式形成线性偏振光

      另外一种获取线偏光的方式是增加外部偏振片。

     

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            图2 外部偏振滤镜方式形成偏振光(图片来自Dalsa)

    去强反光应用

      去除物体表面的强反光是偏振相机的典型应用之一。在工业现场,通常需要对待测物进行打光处理,待测物表面会经常会出现如图3左图的强反光现象,在图像上呈现为过曝现象,影响待测物体的检测识别。偏振相机通过计算数据信息中的偏振分量强度后,从pixel级别上去“减除”偏振信息,最终输出如图3右图中的非过曝光图像。该应用不仅在工业现场有实际需求,在智能交通领域,由于前挡玻璃的强光反射,相机很难看清车内的乘员信息,通过偏振相机内部处理滤除偏振信息后,车内情况清晰的被捕捉到。

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            图3 工业现场去强反光应用

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            图4 智能交通去强反光应用(图片来自SONY官网)

    检测物体表面缺陷

      表面缺陷检测是工业现场常见的检测之一,传统的方式都采用了基于黑白亮度的检测方式,如图5左图,通过图像上的亮度成像差异,来判断手机膜上是否存在划痕。这种检测方式对光源的角度依赖性高,检测一个被测物体,往往需要多角度打光,多次拍摄,现场检测效率不高。图5右图是采用偏振相机输出的DOP信息成像得到的图像,DOP信息相对表面缺陷表现出了非常高的灵敏度,采用DOP信息去检测表面缺陷,可以减少系统复杂度,提高检测效率。

    图片

            图5 表面缺陷检测(图片来自Lucid)

    检测不同材质物体

      不同材质的物体,对偏振光的响应(反射强度以及电场方向角度变化)会存在差异,在一些基于灰度或者彩色相机无法区分的场合,偏振相机也许是解决问题的选择。如图6所示,丛林中的一辆车和环境比较相似,采用传统不易区分,而通过偏振相机输出的AOP信息,车辆信息被凸显出来,这在搜救设备上会有很大的意义。

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            图6 丛林中的车

    透明物体内部应力

      偏振相机另一个特别的应用是检测透明物体内部应力。被测物内部应力的均匀性,会影响透过被测物的偏振光,通过偏振相机输出的DOP或者AOP信息,可以将内部应力分布可视化。如图7所示,b图是基于亮度相机拍摄图像,a图是偏振相机的AOP信息,清晰的反应了直尺内部应力的分布情况。

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            图7 直尺内部应力图(图片来自Dalsa)

    Imalg观点

        

      偏振相机在早期只出现在实验室设备中,基于SONY最新技术的偏振相机,将这种技术从实验室带到了工业现场。它的应用远远不止前面提到的几种,其它的应用比如导航,水下拍摄,去雾霾拍摄等等。

     

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    光的电磁波属性

     光是一种电磁波,这个概念大家应该不陌生。既然是电磁波,那我们从电磁波的特性上来看它有哪些属性。用图1中的交变电磁场来描述光的特性,电场和磁场在空间中相互垂直,它们同时与光的传播方向垂直,属于横波,由于磁场和电场处于空间垂直状态,因此习惯只标识出电场。图1中表现了电场的3个属性,分别是振幅、波长和方向。振幅表征了光信号的强度信息,振幅越大,则光强更强。波长表征了光的颜色属性,波长450nm附近的光是蓝色光,波长在550nm附近的光是绿色光,波长在650nm附近的光是红色光。那么电场的方向表征了什么呢?很遗憾,电场方向表征的特征信息人的裸眼无法感受到其存在。

    图1 光的电磁波属性

    非偏光与偏振光

     自然光源基本都是非偏光,也就是说在与传播方向垂直的平面上各个方向都有电磁波存在,并且各个方向的幅度都是均匀分布。反之,不满足这一条件的称为偏振光。下面先来具体看看如何获取偏振光,图2的例子中,灯泡发出的光对应电磁波各向均匀,是典型的非偏光,光线在经过一个偏振片后,仅仅保留了一个方向的电磁波,而且方向是固定的,这就是典型的线性偏振光。从理论上来说,就是二维平面的矢量投影到一维上,最终输出的线性偏振光的强度为非偏光的1/2.

                    图2 非偏光与线偏光

     

    起偏与检偏

      人的裸眼无法直接感受到电磁波的方向,但通过一个偏振的实验,人眼可见间接的感受到光的空间电磁波特性。图3中的自然光(非偏光)经过一个起偏器(偏振片)后,透过的光为线偏光,在光路上增加一个检偏器(偏振片),通过检偏器的光线依然是线偏光。人眼观察透过检偏器的光线,可以发现,旋转检偏器,透过检偏器的光线强度也会发生变化。如果记线偏光的振动方向与检偏器的偏振化方向的夹角为α,那么检偏器输出的信号强度I=I0*cos2α(马吕斯定律)。图4给出这一个实验的动态示意图。

                                    图3 起偏与检偏

                        图4 起偏与检偏实验

    偏振光的类型

     从电磁场的方向和幅度信息表征来看,除线性偏振光外,还有椭圆偏振光,圆形偏振光以及部分偏振光。

    图5 不同类型的偏振光

    线性偏振光

      在空间中,电场的方向维持在一个固定方向。

    椭圆偏振光

     在空间中,电场的方向随着传播路径是变化旋转的,并且幅度也在变化。根据旋转方向的不同,可以分为左旋椭圆偏振光和右旋椭圆偏振光。

    圆形偏振光

     在空间中,电场的方向随着传播路径是变化和旋转的,但幅度保持不变。根据旋转方向的不同,可以分为左旋圆偏光和右旋圆偏光。

    部分偏振光

     线性偏振光、椭圆偏振光或者圆形偏振光与非偏光的混合,称为部分偏振光。

    自然界中一种常见的偏振光获取方式

     除了前面提到的采用偏振片的方式得到偏振光,自然界中广泛存在着由反射形成的偏振光。如图6,入射光线在两种不同的介质表面发生了反射和折射,假定入射光是非偏光,一般来说,经过反射的光线是部分偏振光,当入射角度为一个特定的角度时,反射光为完全线偏光,这个时候的入射角度称为布鲁斯特角,该角度的值与两种介质的折射率n1和n2相关。ib=tan-1(n2/n1)。

     

     

            图6 反射形成偏振光

    生活中的偏振光

     大家在拍照时经常会遇到的一种情形,对着水面拍照,岸边或者天空的倒影非常明显,如果拍摄对象是水中的物体,那么这些倒影就是干扰。摄影老手会在镜头前增加一个偏振滤镜,拍出来的照片就完全不一样了,图7中的两张图片为安装偏振滤镜前后的对比图。这就是自然界中的非偏光经过了水面反射后,反射光线中存在大量偏振光的很好例子。反射的偏振光信息被安装的镜头前的偏振滤镜吸收,消除了干扰,因此相机可以拍摄到水面下的物体。

        图 7 安装偏振滤镜前后对比

         LCD屏幕也是偏振应用的一个很好例子,LCD中前后共有两个偏振片,假设没有中间的液晶层和Color filter层,如果设置前后两个偏振片的偏振方向互相垂直,那么背光源的光经过第一个偏振片后输出某一个方向的线偏光,这个线偏光在经过第二个偏振片的时候,被完全吸收,最终人眼看到的是黑色。增加了液晶层后,通过对液晶的控制,可以改变偏振光的方向,根据马吕斯定律,通过检偏器的光线强度满足I=I0*cos2α,输出的光信号强度变为可控制。也就是说,通过外部电气的方式,控制液晶分子,从而控制检偏器偏振化方向和偏振光振动方向夹角α,最终控制对应的输出亮度,再加上Color Filter,就可以同时控制液晶显示器亮度和颜色。

                图8 液晶工作原理简图

    Imalg观点

        虽然人的裸眼无法感受到光的电磁波方向信息,但我们可以借助其它方式,间接去获取该信息,并加以应用。下一篇中会介绍基于SONY偏振图像传感器的相机。

     

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空空如也

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