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  • 偏振光的偏振度计算
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    2020-12-15 23:34:49

      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。

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            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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  • 本主题讨论相位约定并描述两种实现圆形(和椭圆形)偏振光源的技术。

    本主题讨论相位约定并描述两种实现圆形(和椭圆形)偏振光源的技术。
    参考链接

    求解器:FDTD、varFDTD

    相位约定
    FDTD 解决方案中用于正向传播平面波的符号约定是 e − i ω t + i k z e^ {- i \omega t+ikz} et+ikz,因此当向源引入相位偏移 (φ) 时,您将得到正向传播光的 e − i ω t + i k z + i ϕ e^ {- i \omega t+ikz+i\phi} et+ikz+iϕ

    一次模拟中的两个源

    考虑文件 usr_polarization1.fsp。 这里我们有一个相位设置为 0 的 x 极化平面波源,以及一个相位设置为 90 度的 y 极化平面波源。 这将创建一个具有相位的前向传播平面波:

    在这里插入图片描述
    根据您使用的历史惯例,这可以称为右旋或左旋。

    注意:归一化

    在模拟中使用多个源时,必须格外小心以确保您了解结果是如何标准化的。在这种情况下,两个正交源的幅度均为 1,监视器显示 Ex 和 Ey 的幅度均为 1。这意味着 |E|=√2(V/m)。位于源前面的功率传输监视器将返回 1(而不是 2),因为传输函数已归一化为来自所有源的源功率之和。在这个特定的模拟中,标准归一化对这两个来源给出了非常合理的结果。但是,在许多具有多个源的模拟中,默认的归一化可能不合适。可能需要禁用默认规范化。如果源开始具有不同的频率、时间偏移等,或者如果源可以以任何方式相互干扰,这一点尤其重要。

    使用 usr_polarization1.fsp 运行 usr_polarization1.lsf 会创建以下图:
    沿传播方向分析计算的每个场分量(Ex 和 Ey)的相位与相应的模拟结果具有良好的一致性。

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    仿真结果比较表明,Ex 和 Ey 分量在传播长度上具有相同的幅度“1”和 90 度的恒定相位差。 z=0 附近的突然变化是由于监视器可以记录非物理结果的源注入区域。
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    打开上述的两个文件:

    source_Ex光源:

    在这里插入图片描述
    source_Ey光源:

    注意光源类型为Bloch/periodic类型
    在这里插入图片描述

    仿真区域设置:周期性边界条件
    在这里插入图片描述

    监视器:用的线监视器

    在这里插入图片描述

    usr_polarization1.lsf文件

    # run the simulation
    run;
    
    # get Ex and Ey from monitor Z
    Ex = getdata("Z","Ex");
    Ey = getdata("Z","Ey");
    z = getdata("Z","z");
    f = getdata("Z","f");
    
    # calculate theory
    k = 2*pi*f/c;
    phase_x = 0*pi/180;
    Ex_theory = exp(1i*(k*z+phase_x));
    phase_y = 90*pi/180;
    Ey_theory = exp(1i*(k*z+phase_y));
    
    # compare phases between FDTD and theory
    plot(z*1e6,unwrap(angle(Ex)),unwrap(angle(Ex_theory)),"z (microns)","phase Ex (radians)","FDTD vs theory");
    #unwrap返回无间断的相位
    legend("FDTD","+kz+phi");
    plot(z*1e6,unwrap(angle(Ey)),unwrap(angle(Ey_theory)),"z (microns)","phase Ey (radians)","FDTD vs theory");
    legend("FDTD","+kz+phi");
    
    # plot phases of Ex and Ey
    plot(z*1e6,unwrap(angle(Ex)),unwrap(angle(Ey)),"z (microns)","phase (radians)","Phase of Ex and Ey along z");
    legend("phase Ex = +kz","phase Ey = +kz + pi/2");
    
    # verify amplitude
    plot(z*1e6,abs(Ex),abs(Ey),"z (microns)","abs(E)","Amplitudes of Ex and Ey");
    legend("|Ex|","|Ey|");
    

    通过矢量图,能看出来是一个右旋(注意:y上的相位设置为-90度时,为左旋,90度时为右旋

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    在这里改采样箭头个数
    在这里插入图片描述

    我们还可以利用矢量图功能来可视化波极化的圆形特性。 单击以可视化 Z 监视器的 E 场结果。 选择矢量图选项。 您可以使用下采样选项编辑图中更多或更少箭头的设置。 下图是使用更精细的网格生成更多数据点:

    在这里插入图片描述
    将两次模拟的结果相加

    通过运行两个模拟,可以获得系统对具有任意偏振的光束的响应。

    打开 usr_polarization2.fsp 并运行脚本文件 usr_polarization2.lsf。 该脚本将运行两个模拟(每个都有一个源)并将数据保存在名为 usr_polarization2_0.fsp 和 usr_polarization2_90.fsp 的临时 fsp 文件中。 运行脚本文件一次后,将变量 rerun_simulations 设置为 0,并调整 usr_polarization2.lsf 中的复权重因子 weight_0 和 weight_90。 这演示了如何在无需重新运行模拟的情况下创建对任意源极化的响应。

    在下图中,我们展示了通过将 weight_0 设置为 1 并将 weight_90 设置为 exp( 1i * 45 * pi /180) 创建的椭圆极化结果,即 45 度相位差。

    在这里插入图片描述
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空空如也

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