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正交偏振多光谱成像术应用于活体微循环观察研究_许谦

正交偏振多光谱成像术应用于活体微循环观察研究_许谦
正交偏振多光谱成像术应用于活体微循环观察研究_许谦

第30卷,第7期 光谱学与光谱分析Vol .30,No .7,pp1886-1889

2010年7月 Spectro sco py and Spectr al Analy sis

July ,2010 

正交偏振多光谱成像术应用于活体微循环观察研究

许 谦,雷俊锋*,曾立波

武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430079

摘 要 构建一种小型、简洁的活体微循环多光谱成像系统,将正交偏振光谱成像术O PS Imag ing 及液晶可调谐滤光片L CT F 应用于活体微循环多光谱成像。LCT F 具有较高的成像质量、较低的功耗、且没有移动

部件和图像移动,能够连续、随机地在可见-近红外波段上快速实现波长的任意调谐。利用该系统,对活体裸鼠的耳廓采用检偏角为90°(正交偏振方式)与0°两种方式进行了试验,获取了裸鼠耳廓微血管的多光谱图,得出采用正交偏振成像方式的图像的对比度及图像细节均优于检偏角为0°时的图像。试验验证了正交偏振多光谱成像技术能增强活体微循环观察效果。

关键词 OP S imaging (正交偏振成像术);LCT F (液晶可调谐滤光片);微循环;多光谱成像中图分类号:T N247 文献标识码:A DOI :10.3964/j .issn .1000-0593(2010)07-1886-04

 收稿日期:2009-09-22,修订日期:2009-12-26

 基金项目:国家自然科学基金项目(20605014)资助

 作者简介:许 谦,1981年生,武汉大学电子信学院博士研究生 e -mail :s kyler xu @https://www.sodocs.net/doc/b44098336.html,

*通讯联系人 e -mail :ju nflei @https://www.sodocs.net/doc/b44098336.html,

引 言

微循环是指能够直接参与组织、细胞新陈代谢与物质交换的血液、组织液、以及淋巴液之间的循环[1,2]。微循环作为一种自律性的调节活动,能够保证全身与局部循环的稳

定,使得生命活动得以顺利进行。人体的微循环出现问题都是由于相应的器官组织出现了病变,因此对微循环的研究有着十分重要的意义。目前,微循环观测主要集中在唇、舌、甲襞、眼球结膜等,但对于一些内脏器官的微循环成像较难实现,给临床诊治带来了很大的局限[3]。

对生物样品的观测一般都希望采用无创的方式。临床中较普遍的观测方法有核磁共振、计算机断层扫描、正电子发射断层成像等[4-9],这些方法的空间分辨率量级为毫米,而微血管作为微循环的通路其直径不超过100μm ,所以采用这些方法无法观察到微循环。而光学方法较好的弥补了上述不足能够获取较高分辨率量级的图像。近年来发展起来的光学方法主要包括如光学相干显微术[10,11]、共焦显微术[12-16]、正交偏振光谱成像术[17]等。光学相干显微术与共焦显微术基于反射光成像的方法能够获得浅层组织较高分辨率的图像,但是随着成像深度的增加图像的分辨率明显降低,这2种方法有时需要注入荧光染料来增强对比度,且仪器价格昂贵不利于临床观测[2]。正交偏振光谱成像术(OP S imag ing )是G roner 等1999年提出的,这种基于后向散射光成像的方法能够获得较清晰的活体微循环图像[17],且在组织的较深

层也能成较理想的像。但是O PS 技术不能自由选择所需要

的波长来成像,必须借助滤光片,对于多谱段的成像效率较低,成像质量得不到保障。

为了实现对活体组织无损伤、实时、快速多波段的探测和成像,同时考虑到使用环境以及实验操作的问题,本文构建了一种基于正交偏振多光谱成像技术的活体微循观测系统。用液晶可调谐滤光片LCT F [18]取代了滤光片。L CT F 成像质量高、有较高的光谱分辨率、无移动部件、能够快速准确实现波段任意调谐[19]。正交偏振光谱成像术较之普通的成像显微镜得到的图像对比度更高,细节更丰富。该系统对活体微循环的观测与分析有一定的优势。

1 实验方法

1.1 成像系统

图1是成像系统的结构图。O lympus BH2-RFCA 显微镜(Olympus O ptical Co .,L td ,Japan )作为成像平台。照明光源采用100W 高压汞灯(US H10U SH -102D Olympus O ptical Co .,Ltd ,Japan )。在入射光路上设置了偏振片1对入射光起偏,偏振光被消偏振分光棱镜分束。显微物镜选用(Olym -pus U P lanF1(10×/0.30∞/-)。液晶可调谐滤光片V ariSpecT M L CT F (C RI ,Inc .,Woburn ,M assachuse tts )用来快速选择透过波长,其带宽10nm 、波长范围400~720

nm (450nm 以上透过率较高)、可视范围(半角)7.5°、响应时间50ms ,与电脑的连接方式:RS -232/T T L -sync 。成像用的CCD 选择的是Penguin 600CL M char ge -coupled device (pix era cor po ratio n ,U SA ),采用温差热电器件进行制冷,制冷温度控制在-20℃,其最大分辨率580万像素,1/2英寸CCD 芯片(640(H )×480(V )像素),16位数字输出信躁比大于62dB

Fig .1 Schematic of the imaging system based on LC TF 1.2 图像获取

光源发出的光经光学透镜整形为平行光后经偏振片1起偏,产生的线偏振光被分束器反射经过显微物镜后聚焦到样品上,从样品发散出来的光由两个部分组成一部分是从样品表面直接反射回来保持了原偏振性的光(图中的实线所示),

另一部分是照射到样品内经过多次散射(一般大于十次散

射[20])退偏后的后向散射光(图中虚线所示)。这两部分光经同一物镜收集后经过LC TF 选择特定波长通过,其中保持了偏振性的表面反射光对于成像图像来讲是背景躁声,在被CCD 接收前,被偏振方向与它正交的检偏器所阻挡(LC TF 内的偏振片是固定的所以靠调节起偏器来形成正交)不参与成像,另一部分含有样品内部信息的后向散射光通过LC TF 后成像在CCD 上[17]。

LCT F 与CCD 是采用自主设计的软件进行控制的。软件可以设置CCD 相机的曝光时间和LCT F 的调谐波长,可以自动采集多光谱图像同时也能手动采集设置的某一波长的图像,整个成像过程以实时视频的形式展现,可以对感兴趣的部位进行视频采集以备后续研究。

2 实验与数据处理

2.1 活体样品的制备

裸鼠耳朵内面分布着丰富的毛细血管,可以直接采用O PS 成像来进行活体微循环观察。为此选用湖北省实验动物研究中心提供的4~6周的雌性裸鼠进行试验。将裸鼠放入一个透明烧杯中在杯口盖一块毛巾,将蘸有乙醚的棉签插入烧杯并观察裸鼠的状态。约8min 裸鼠即进入麻醉状态,麻醉后立即将裸鼠取出,将其平放在垫有布的样品台上。

将裸

Fig .2 Co mparison of two detection polarization angle 0°and 90°specified with dif ference wavelength

1887

第7期 光谱学与光谱分析

鼠的耳朵展平用透明胶粘在耳朵的边缘将其固定在耳托上面,在裸鼠的耳朵上面涂上显微镜油以增加光的透过率。当裸鼠麻醉变浅时将蘸有乙醚的棉签置于裸鼠鼻子边使其补吸乙醚。

2.2 实验及数据

综合考虑光源的光谱,生物组织的氧血红蛋白、血红蛋白吸收谱,LC T F的中心波长透过率,选定实验波长430, 440,435,540,545,548,570,575,580nm。

图2给出了中心波长为430,548,575nm,采用O PS (检偏角90°)成像方式及检偏角为0°成像方式的6幅图像(CCD曝光时间选择以图像有较佳的对比度与亮度为准则,其中检偏角为0°的时候采用衰减片对光强进行了衰减,使得系统在较适合的光强下成像以防止采集的图像饱和或者过亮影响图像的对比度)。

由图可知采用检偏角为90°成像方式时,波长为430nm 的裸鼠耳廓微血管的细节最为丰富,但是波长为548nm的图像也有着波长为430nm时的图像所没有的细节(图中左下小白方框框起来的部位放大后的局部视图),通过正交偏振方式下实时采集的波长为430nm的视频可以清楚的看到氧血红蛋白在微血管内的流动方式。采用检偏角为0°方式的图像由于大部分的光通过表面直接反射被CCD所接收,这部分光并不含有微血管的信息对于成像来讲属于背景噪声,所以不论是从对比度,还是从图像的细节都要远远差于检偏角为90°时对应波长的图像。

3 结 论

本文提出了一种基于正交偏振多光谱成像技术的活体微循观测方法。将电控液晶可调谐滤光片LCT F,正交偏振光谱成像术OPS imaging应用于活体微循环多光谱成像。利用该系统对活体裸鼠耳廓采用检偏角为90°与0°2种方式进行了实验,获取了裸鼠耳廓微血管的多光谱图,得出采用正交偏振成像方式的图像的对比度、图像细节均优于检偏角为0°时的图像,并且在不同的波长下所采集到的图像又有着其他波长所没有的新的微血管细节。实验验证了正交偏振多光谱成像技术能增强活体微循环观察效果。

参考文献

[1] TIAN Niu,LI U Yu-yin g(田 牛,刘育英).M ethodology of M icrocirculation(微循环方法学).Beijing:Atomic Energy Pres s(北京:原子

能出版社),1987.

[2] C HEN Lei,ZHANG En-y ao,WANG Jia,et al(陈 蕾,章恩耀,王 佳,等).Op tical T echnique(光学技术),2003,29(6):690.

[3] TIAN Niu,LI U Yu-ying,LI Xiang-h on g,et al(田 牛,刘育英,李向红,等).C linical and Basic M icrocirculation Research(微循环的临

床与基础).Beijing:Atomic Energy Press(北京:原子能出版社),1996.

[4] H eidemann R M,Oz sarlak O,Parizel P M,et al.Eu ropean Radiology,2003,13(10):2323.

[5] Ch alela J A,Kidw ell C S,Nen tw ich L M,et https://www.sodocs.net/doc/b44098336.html,ncet,2007,369(9558):293.

[6] Lauterb ur P C.Nature,1973,242:190.

[7] C rom ack A M.Physics in M edicine and Biology,1973,18:195.

[8] Kalender W A.Ph ysics in M edicine and Biology,2006,51(13):R29.

[9] S alem A,Ch arn ley N,Price P.Eu ropean J ournal of C ancer,2006,42(12):1720.

[10] Fercher A F,Drexler W,Hizenberger C K,et al.Reports on Progress in Phy s ics,2003,66(2):239.

[11] Tomlin s P H,W ang R K.Journal of Physics D:A pplied Physics,2005,38(15):2519.

[12] W hite J G,Am os W B.Nature,1987,328:183.

[13] W hite J G,Am os W B,Fordham M.The J ou rnal of Cell Biology,1987,105(1):41.

[14] Rajadhyaks ha M,Gonzales Z,Zavis lan J M,et al.J ou rnal of In vestigative Derm atology,1999,113(3):293.

[15] C hikara Egami,Naoki Kobayashi,Yoshimasa Kaw ata,et al.Optics Letters,2006,31(6):784.

[16] Yelin D,Boudoux C,Bouma B E,et al.Optics Letters,2007,32(9):1102.

[17] Groner W,Winkelman J W,Harris A G,et al.Nature M edicin e,1999,5(10):1209.

[18] Yeh P,T racy J.Proceedings of S PIE:Imaging S pectros copy,1981,101:174.

[19] ZH ANG Dong-ying,H ONG Jin,TANG Wei-ping,et al(张冬英,洪 津,汤伟平,等).Spectroscopy and S pectral Analy sis(光谱学与光

谱分析),2008,28(10):2455.

[20] W ang Xueding,W ang Lihong.Jou rnal of Biomedical Optics,2002,7(3):279.

1888光谱学与光谱分析 第30卷

Observation of and Research on Intravital Microcirculation Use of Orthogonal Polarization Multi -Spectral Technique

XU Qian ,LEI Jun -feng *,Z ENG Li -bo

Schoo l o f Electro nic I nfo rmatio n ,Wuhan U niv ersity .W uhan 430079,China

A bstract A small ,simple intravital microcirculatio n multi -spectral imaging sy stem w as constructed .O r tho go nal po lariza tion spectral (O PS )imag ing and liquid crystal tunable filte r (L CT F )w ere used for intravital micro circula tion multi -spec tral imag ing .LCT F has ex celle nt imaging quality and lo w -pow er lo ss ,w ithout moving par ts and imag e shift .It can provide continuo usly ,r ap -id and random -access selection of any wav eleng th in the v isible to near -inf rared range .An ear of nude mouse w as adopted as ex -periment specimen .T he multi -spectral image s of ear micr ove ssel of the nude mouse w ere acquir ed by this imaging sy stem in tw o way s (detection po la rizatio n ang le 90°and 0°).Compared with detection po lariza tion a ng le 0°way the images acquired by or tho g -o nal polarizatio n spectral imaging way (detection po larization ang le 90°)had better contra st and mo re details .It is co ncluded that the e xperiment has pro ved that the o rthog onal po la rizatio n multi -spectral technique can enhance the effect o f o bserv atio n of intra -vital micro circulation .

Keywords O PS imaging ;Liquid cry stal tunable filter ;M icrocirculatio n ;M ulti -spectral imaging

(Received Sep .22,2009;accepted Dec .26,2009)

*Co rr esponding author

1889

第7期 光谱学与光谱分析

【CN109839191A】一种偏振成像方法及其装置、偏振成像系统【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910253142.1 (22)申请日 2019.03.29 (71)申请人 清华-伯克利深圳学院筹备办公室 地址 518055 广东省深圳市南山区学苑大 道1001号南山智园 (72)发明人 马辉 何宏辉 孟若愚  (74)专利代理机构 北京品源专利代理有限公司 11332 代理人 孟金喆 (51)Int.Cl. G01J 3/447(2006.01) (54)发明名称 一种偏振成像方法及其装置、偏振成像系统 (57)摘要 本发明实施例公开了一种偏振成像方法及 其装置、偏振成像系统,该偏振成像方法通过变 化光阑通光孔的位置,以使经收集透镜后的不同 角度范围和/或不同方向的偏振透射光束透过光 阑的光阑通光孔,以获得标准样品的多个第一偏 振属性和待测样品的多个第二偏振属性,并由标 准样品的多个第一偏振属性与标准样品的标准 属性得到多个偏振属性误差,从而能够在获得待 测样品的不同角度的多个第二偏振属性后,由偏 振属性误差对不同角度的多个第二偏振属性进 行校准,以在降低所获得的多个第二偏振属性的 偏振属性误差的前提下,提高待测样品偏振图像 的分辨率,获得待测样品的各向异性信息,并且 偏振成像方法简单, 成本低。权利要求书2页 说明书10页 附图5页CN 109839191 A 2019.06.04 C N 109839191 A

权 利 要 求 书1/2页CN 109839191 A 1.一种偏振成像方法,其特征在于,包括: 控制经标准样品和收集透镜后的偏振透射光束通过位置变化的光阑通光孔,以获取标准样品的多个第一偏振属性; 根据所述多个第一偏振属性以及所述标准样品的标准偏振属性获取所述标准样品的多个偏振属性误差; 控制经待测样品和收集透镜后的偏振透射光束通过位置变化的光阑通光孔,以获取待测样品的多个第二偏振属性; 根据所述多个第二偏振属性以及所述多个偏振属性误差获取所述待测样品的偏振图像。 2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述多个第二偏振属性以及所述多个偏振属性误差获取所述待测样品的偏振图像包括: 根据所述多个偏振属性误差对应校准所述多个第二偏振属性,获取多个校准偏振属性; 根据所述多个校准偏振属性,获取多个校准偏振图像; 合并所述多个校准偏振图像,以获取所述待测样品的偏振图像。 3.根据权利要求1~2任一项所述方法,其特征在于,所述第一偏振属性、所述第二偏振属性均包括穆勒矩阵。 4.一种偏振成像装置,其特征在于,包括: 第一偏振属性获取单元,用于控制经标准样品和收集透镜后的偏振透射光束通过位置变化的光阑通光孔,以获取标准样品的多个第一偏振属性; 偏振属性误差获取单元,用于根据所述多个第一偏振属性以及所述标准样品的标准偏振属性获取所述标准样品的多个偏振属性误差; 第二偏振属性获取单元,用于控制经待测样品和收集透镜后的偏振透射光束通过位置变化的光阑通光孔,以获取待测样品的多个第二偏振属性; 偏振图像获取单元,用于根据所述多个第二偏振属性以及所述多个偏振属性误差获取所述待测样品的偏振图像。 5.一种偏振成像系统,其特征在于,包括:焦平面滤波装置和权利要求4所述的偏振成像装置; 所述焦平面滤波装置包括沿光路依次设置的光束出射单元、收集透镜、光阑和光束接收单元;待测样品或标准样品放置于所述光束出射单元和所述收集透镜之间; 所述光束出射单元用于提供偏振入射光束,并投射至待测样品或标准样品上; 所述收集透镜用于将透过所述待测样品或所述标准样品的偏振透射光束会聚于所述收集透镜的焦平面上; 所述光阑位于所述收集透镜的焦平面上,所述光阑用于控制会聚于所述焦平面上的预设角度的所述偏振透射光束透过所述焦平面;所述光阑包括光阑通光孔; 所述光束接收单元用于接收透过所述焦平面的所述偏振透射光束。 6.根据权利要求5所述的系统,其特征在于,所述焦平面滤波装置还包括:检偏单元; 所述检偏单元位于所述光束出射单元与所述光束接收单元之间的光路中;所述待测样品或所述标准样品放置于所述光束出射单元和所述检偏单元之间;所述检偏单元用于调制 2

偏振光的观察与分析

偏振光的观察与分析 【实验内容及数据处理要求】 1)将半导体激光器、功率计探头与激光功率计后面板上的相应插座相连。 2)在光学导轨一端分别安装半导体激光器和功率计探头,开启功率计,选择直径为6.0 mm 的圆孔作为功率计 探头的入射光阑。 3)调整激光器、功率计探头在支架上的固定高度及激光器的二维调节螺旋,使激光束同轴等高地平行射入功率计探头的Φ6.0光阑孔中。 4)验证马吕斯定律 ① 在靠近激光器的一侧加入一个偏振片并调整其高度与激光器、功率计探头同轴等高。旋转偏振片使功率计的示数为极大值(功率计应选恰当档位,如2 mW )。 ② 对功率计清零:先用白屏紧贴半导体激光器遮住激光,调节功率计的“调零”旋钮使其示数为0,然后拿走白屏。 ③ 在靠近功率计探头的一侧加入另一个偏振片(作检偏器),并调整其高度与之前安装的光学元件同轴等高,并对功率计清零。 ④ 转动检偏器直至功率计的示数恰好为零,记录下检偏器上的角度θ0和功率计示数;接着以此角度为基准,沿同一方向转动检偏器,每转15°就记录下检偏器上的角度θ和相应的功率计示数。 数据处理要求:以加入检偏器后功率计的最大示数作为I 0,先由马吕斯定律计算出各相对角度α所对应的理论功率,然后在同一坐标纸上绘出马吕斯定律的理论曲线和实测值拟合曲线,计算各α对应功率值的百分偏差,并根据结果得出是否验证的结论。 注意:相对角度α(090θθ=-?-)是因为功率计示数为0时,检偏器与起偏器的透振方向夹角为90°。实验中每加入一个光学元件,就需要对功率计进行清零,以消除由该元件折射、反射进入功率计探头的杂散光对实验结果的影响。 5)产生和鉴别(椭)圆偏振光 ① 紧接4)的第④步,转动检偏器重新使功率计示数为零(系统处于消光状态)此时检偏器的角度记为初始位置0θ。 ② 在起偏器和检偏器之间插入1/4波片,旋转1/4波片角度使功率计示数有极大值,然后调整1/4波片使与之前安装的光学元件同轴等高,并对功率计清零。 ③旋转1/4波片使系统重新进入消光状态(1/4波片的光轴与起偏器的透振方向平行或垂直),此时1/4波片的角度记为φ0。 缓慢旋转检偏器一周,记录功率计出现的4个极值及与之相应的检偏器角度θ。 ④ 以φ0为基准沿同一方向旋转1/4波片,每旋转15°,先记录检偏器在初始位置θ0时功率计的示数,然后缓慢旋转检偏器一周,记录功率计出现的4个极值及与之相应的检偏器角度θ。 数据处理:分析得出1/4波片转动0°、30°、45°、60°、90°等时出射光的偏振状态,并讨论1/4波片对线偏振入射光偏振态的影响。

大学物理实验- 光的偏振

实验27 光的偏振 一、实验目的 1、观察光的偏振现象,加深对光的偏振的理解。 2、了解偏振光的产生及其检验方法。 3、观测布儒斯特角,测定玻璃折射率。 4、观测椭圆偏振光与圆偏振光。 5、了解1/2波片和1/4波片的用途。 二、实验原理 1、光的偏振状态 光是电磁波,它是横波。通常用电矢量E表示光波的振动矢量。 (1)自然光其电矢量在垂直于传播方向的平面内任意取向,各个方向的取向概率相等,所以在相当长的时间里(10-5秒已足够了),各取向上电矢量的时间平均值是相等的,这样的光称为自然光,如图27-l所示。 (2)平面偏振光电矢量只限于某一确定方向的光,因其电矢量和光线构成一个平面而称其为平面偏振光。如果迎着光线看,电矢量末端的轨迹为一直线,所以平面偏振光也称为线偏振光,如图27-2所示。 (3)部分偏振光电矢量在某一确定方向上较强,而在和它正交的方向上较弱,这种光称为部分偏振光,如图27-3所示。部分偏振光可以看成是线偏振光和自然光的混合。 (4)椭圆偏振光迎着光线看,如果电矢量末端的轨迹为一椭圆,这样的光称为椭圆偏振光。椭圆偏振光可以由两个电矢量互相垂直的、有恒定相位差的线偏振光合成得到。 (5)圆偏振光迎着光线看,如果电矢量末端的轨迹为一个圆,则这样的光称为圆偏振光。圆偏振光可视为长、短轴相等的椭圆偏振光。 图27-4 椭圆偏振光

2、布儒斯特定律 反射光的偏振与布儒斯特定律 如图27-5所示,光在两介质(如空气和玻璃片等)界面上,反射光和折射光(透射光)都是部分偏振光。当反射光线与折射光线的夹角恰为90°时,反射光为线偏振光,其电矢量振动方向垂直于入射光线与界面法线所决定的平面(入射面)。此时的透射光中包含平行于入射面的偏振光的全部以及垂直于入射面的偏振光的其余部分,所以透射光仍为部分偏振光。由折射定律很容易导出此时的入射角 α 满足关系 1 2 tan n n = α (27-1) (27-1)式称为布儒斯特定律,入射角 α 称为布儒斯特角,或称为起偏角。若光从空气入射到玻璃(n 2约为1.5),起偏角约56°。 3、偏振片、起偏和检偏、马吕斯定律 (1)由二向色性晶体的选择吸收所产生的偏振 自然光 偏振光 偏振片 P 1P 2 I 0 起偏器 检偏器 自然光 I ' 图a 偏振片起偏 图b 起偏和检偏 图27-6 偏振片 有些晶体(如电气石)、长链分子晶体(如高碘硫酸奎宁),对两个相互垂直振动的电矢量具有不同的吸收本领,这种选择吸收性称为二向色性。在两平板玻璃间,夹一层二向色性很强的物质就制成了偏振片。自然光通过偏振片时,一个方向的电矢量几乎完全通过(该方向称为偏振片的偏振化方向),而与偏振化方向垂直的电矢量则几乎被完全吸收,因此透射光就成为线偏振光。根据这一特性,偏振片既可用来产生偏振光(起偏),也可用于检验光的偏振状态(检偏)。 (2)马吕斯定律 用强度为I 0的线偏振光入射,透过偏振片的光强为I ,则有如下关系 θ 20cos I I = (27-2) (27-2)式称为马吕斯定律。 θ是入射光的E 矢量振动方向和检偏器偏振化方向之间的夹角。以入射光线为轴转动偏振片,如果透射光强I 有变化,且转动到某位置时 I =0,则表明入射 光为线偏振光,此时θ =90°。 4、波片 (1)两个互相垂直的、同频率的简谐振动的合成 设有两各互相垂直且同频率的简谐振动,它们的运动方程分别为 )cos() cos(2211?ω?ω+=+=t A y t A x (27-3) 合运动是这两个分运动之和,消去参数t ,得到合运动矢量末端运动轨迹方程为 )(sin )cos(2122 12212 22212????-=--+A A xy A y A x (27-4) 上式表明,一般情况下,合振动矢量末端运动轨迹是椭圆,该椭圆在2122A A ?的矩形范围内。如果(27-3)式表示的是两线偏振光,则叠加后一般成为椭圆偏振光。下面讨论相位 差 12???-=?为几种特殊值的情况。 ①当π?k 2=?( k =0, ±1, ±2, …)时,(27-4)式变为

偏振-成像-光谱整理

一、偏振探测原理 在介质中传输的光,与介质发生相互作用后,其偏振状态的斯托克斯参数或琼斯矩阵会发生变化,改变的程度与介质的物理特性(如其介质特性、结构特征、粗糙度、水分含量、观察角、辐照度等条件)密切相关。 利用光(主要为偏振光)来照射被测物质,经被测物与偏振光的相互作用后偏振光的偏振信息将按规律产生相应的变化,通过检测这种偏振信息的变化来实现测量该被测物的属性,是偏振探测的物理基础。 偏振光的检测是偏振光的应用和偏振探测的一个重要问题,偏振光的检测主要包括偏振光的强度、相位、和取向三个参量的定性分析和定量测量,其基本方法是把上述三个参量的测量转化为光强的测量。 二、偏振探测与雷达探测的对比 在目标识别应用上,与主动雷达扫描方式不同,偏振成像设备体积小、功耗低,探测对象是物体主动发射或反射的电磁波中的偏振部分,便于自身隐蔽。 三、偏振探测与传统成像的对比 在传统的图像处理、分析过程中所使用的技术都是基于光的强度特征和波长特征所提供的信息,这使现有的图像处理、分析以及理解算法很复杂,并且只能对图像中目标的轮廓、类别等做一些初步的分析和理解[5];而偏振图像有其自己统一简单的算法[6],其结果在图像

目视效果方面明显。偏振探测的特点(相对于普通成像技术): ①偏振探测有助于辨别具有不同质地的目标; ②偏振图像与光强度图像相比,对比度提高; ③偏振图像对置于在背景之上物体的边缘增强效果明显; ④偏振图像与波段有依赖关系; ⑤偏振度与物体表面粗糙度、观测角等依赖关系较 四、多光谱技术 物质的化学组成或结构的不同,导致它们的能带结构以及转动、振动能级不同,其结果使它们的发射光谱、反射光谱、荧光光谱或拉曼光谱也会不同。因此,可通过探测空间光谱分布来探测物质及其在空间上的分布特性。这种技术称为多光谱技术,它建立在能带理论基础之上,其技术基础是光谱分辨和光谱探测技术。 目前多光谱技术有两种不同的含义[1]:一是利用物体的发光或反射光特性,通过光谱分辨技术获取物体的特征光谱信息,来识别物体;二是利用光与物质的相互作用使光发生某种变化,并探测光的变化来获取物质的有关特征信息。后一种多光谱技术所探测的光的变化可能是光谱的变化,或是光强度、偏振等参量的变化。

红外偏振成像探测技术综述

第 28 卷 第 2 期 2006 年 2 月
红 外 技 术 Infrared Technology
Vol.28 No.2 Feb. 2006
〈综述与评论〉
红外偏振成像探测技术综述
聂劲松[1],汪 震[2]
(1.电子工程学院 503 室,安徽 合肥 230037;2.中科院安徽光机所,安徽 合肥 230031)
摘要:论文对红外偏振成像技术进行了全面系统的综述,在论述红外偏振特性物理本质的基础上,指 出了红外偏振成像技术比较传统的红外成像技术具有的优势;给出了国内外该技术的研究概况;分析 了国外研究红外偏振成像技术得到的主要结论;最后,指出红外偏振成像技术不仅是红外侦察技术的 一次革命性进步,而且对传统的红外伪装技术提出了严峻的挑战,需要引起我们高度的重视。 关键词:偏振;红外;成像;探测技术 中图分类号:TN219 文献标识码:A 文章编号:1001-8891(2006)02-0063-05
Summarize of Infrared Polarization Imaging Detection Technology
NIE Jing-song[1],WANG Zhen[2]
(1.503 office, Institute of Electronic Engineering, Anhui Hefei, 230037, China; 2.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, the Chinese Academy of Sciences, Anhui Hefei, 230031, China)
Abstract:The technology of infrared polarization imaging detect was discussed. The advantages of infrared polarization imaging detect to traditional infrared imaging detect were given, and the main conclusion of overseas on infrared polarization imaging detect was analyzed. In the end, the significance of infrared polarization imaging detection technology and the challenge of this technology to traditional detect technology were pointed out. Key words:polarization;infrared;imaging;detection technology 式显示隐蔽的军事目标。 红外偏振成像技术作为比较传统的红外成像技术 具有以下几点优势: 1) 偏振测量无需准确的辐射量校准就可以达到相 当高的精度,这是由于偏振度是辐射值之比。而在传 统的红外辐射量测量中红外测量系统的定标对于红外 系统的测量准确度至关重要。红外器件的老化,光电 转换设备的老化,电子线路的噪声,甚至环境温度、 湿度的变化都会影响到红外系统。如果红外系统的状 态已经改变,但是系统又没有及时定标,那么所测得 的红外辐射亮度和温度必然不能反映被测物的真实辐 射温度和亮度。 2) 根据调研国外公开发表的文献的数据说明, 目 标和背景差别较大,其中自然环境中地物背景的红外
收稿日期:2005-07-05;修改日期:2005-11-08 作者简介:聂劲松(1970-),男,博士,现在解放军电子工 程学院从事军用光学工程专业教学和科研工作,主 要研究方向是激光技术和光电子技术。
引言
由菲涅耳反射定律可知当非偏振光束从光滑介质 表面反射时,会产生部分偏振光。另外根据基尔霍夫 理论,热辐射也表现出偏振效应。所以地球表面和大 气中的任何目标,在反射和发射电磁辐射的过程中都 会产生由他们自身性质和光学基本定律决定的偏振特 性。不同物体或同一物体的不同状态(例如粗糙度、 含水量、构成材料的理化特征等)会产生不同的偏振 状态,且与波长有密切关系,形成偏振光谱。由于偏 振信息是不同于辐射的另一种表征事物的信息,相同 辐射的被测物体可能有不同的偏振度,使用偏振手段 可以在复杂的辐射背景下检出有用的信号,以成像方
偏振度非常小(<1.5%) ,只有水体体现出较强的偏 振特性, 其偏振度一般在 8%~10%。 而金属材料目标 的红外偏振度相对较大,达到了 2%~7%,因此以金 63

实验七偏振现象的观测与分析

实验七 偏振现象的观测与分析 一、实验目的 1 观察光的偏振现象,加深对偏振光的了解; 2 掌握产生和检验偏振光的原理和方法。 二、实验仪器 氦氖激光器、偏振片(2片)、半波片、光屏、凸透镜 三、实验原理 1 能使自然光变成偏振光的装置或器件,称起偏器;用来检验偏振光的装置或器件, 称检偏器。按光的振动状态不同,可分为自然光,线偏振光,部分偏振光,圆偏振光和椭圆偏振光。沿同一方向传播的两列频率相同的线偏振光,如果他们的振动方向垂直且具有固定的相位差ΔΦ,当ΔΦ=k π (k =0,±1,…)合成光矢量末端的轨迹是一条直线,称为线偏振光,当ΔΦ=(2k +1)π/2 ,且振幅相等时,合成光矢量末端的轨迹是圆,称为圆偏振光,其它情况当 ΔΦ≠k π和ΔΦ≠(2k +1)π/2 时则为椭圆偏振光。如图1所示。 (其中点表示垂直于纸面振动的光,直线为平行于纸面振动的光) 2 偏振片:对某一方向的光有强烈的吸收,而对与之垂直的光振动则吸收很少,这样的波 片称偏振片。因此偏振片基本上只允许某一特定方向的光振动通过,这一方向称之为偏振片的偏振方向。 3 由晶体双折射产生偏振 一束光照射到晶体上会产生双折射现象,出来两束光线,一束o 光,一束e 光。 O 光遵从折射定律,e 光不遵从折射定律。 光轴:晶体内存在一个特殊方向,光沿该方向传播时不产生双折射现象。 主平面:由光线和光轴组成的平面。O 光的光振动垂直与主平面,e 光的光振动在主平 面内。 4 半波片的原理 如图(2)所示,当振幅为A 的平面偏振光垂直入射到表面平行光轴的双折射晶片时,若振动方向与晶片光轴的夹角为α,则在晶片表面上o 光和e 光的振动分别为Asin α 和Acos α,它们的相位相同,进入晶片后,o 光和e 光虽然沿同一方向传播,但具有 不同的速度,因此,经过厚度为d 的晶片后,o 光和e 光之间将产生相差δ。而且有: 自然光: 部分偏振光: 线偏振光: 图1

偏振现象的观察与分析研究

偏振现象的观察与分析研究 摘要:本课题研究的是光学实验中常用到的偏振光实验仪以及光的偏振性质,并对其中的旋光实验内容进行了扩充。内容主要包括以下几个部分:第一部分为光学的基础知识(尤其是偏振光)的介绍,包括光的分类、偏振光的获得、波晶片、半波片、四分之一波片;第二部分为对WZP-1偏振光实验仪结构和原理的简要介绍;第三部分为偏振光实验仪的调节与使用,包括仪器的调节、实验原理、实验步骤、实验结果及其分析和处理、实验注意事项。 关键词:偏振光马吕斯定律布儒斯特角波片旋光现象 Observation and Analysis of Polarization i

贵州民族学院毕业论文 Abstract: The study of the subject is commonly used in optical experiments to the experimental apparatus and the polarized nature of light polarization, and optical rotation experiment in which the content was expanded. Mainly includes the following sections: The first part of the experimental apparatus WZP-1 polarized light a brief description of the structure and principles; second part is the basics of optics (particularly polarized light) is introduced, including the classification of light, polarized light access to, wave chip, half slide, slide a quarter; third part is the regulation of polarized light and use of experimental apparatus, including instruments of regulation, experimental theory, experimental procedure, experimental results and analysis and processing, experimental Note. Keywords: Polarized-light Malus-law Brewster-angle Slide Optical-phenomena 目录 绪论 (1) 第1章光波的偏振态及其分析方法 (1) ii

偏振成像研究综述

偏振成像研究综述 西安工业大学光电工程学院 学生:刘彬彬指导老师:高明 摘要:偏振成像技术是光学领域得一项新技术,国内外十分重视对该技术及其应用的研究。地球表面和大气中的目标在反射、散射、透射及发射电磁辐射的过程中,会产生由它们自身性质决定的特征偏振。由于大气及地物光谱辐射的偏振敏感性,又由于偏振特性与物体的表面状态和固有属性密切相关,加上不同种类的目标具有不同的偏振特性,使得偏振成像逐步发展成地基、航空和卫星观测的新技术手段。在全球气候变迁研究,对地遥感探测和天文研究等领域得到应用。根据不同探测目标,从偏振分析机制和偏振信息获取模式等方面介绍了光学偏振成像技术的研究进展,并结合国内外相关领域偏振成像实验研究结果,描述了偏振成像技术在大气、自然地物、人工目标、医学诊断以及天文学探测领域的应用基础研究情况,最后总结和展望了偏振成像技术的问题和发展趋势。 关键字:偏振成像技术;特征偏振:遥感探测。 1 引言 光波的信息量是非常丰富的。依据光波的电磁理论,光波包含的信息主要有:振幅(对应于光强),波长(频率),相位,偏振态。通常的光辐射成像是获取目标的光谱,辐射强度及空间状态等信息,用于反演目标性质参数。但是,从电磁波的横波性质来看,偏振或称极化也是电磁波的重要特征之一。偏振特性与物质性质密切相关,是遥感需要获取的主要信息参数。在光学波段,无论是可见还是红外谱段,不同目标都具有各自一定的偏振特性。偏振参数能够很好的表征被探测目标的性质特征。因此,人们将光学遥感与偏振测量技术相结合,促进了偏振成像技术的发展。 传统的遥感方法获取的信息主要是电磁强度特征和几何特征,而偏振特性取 决于其表面的固有属性,如其介质特征,结构特征,粗糙度,水分含量等,还与观察角度和辐照条件有关,正是由于偏振测量同非偏振测量(通常为光强测量)相比能获得与物质自身特性相关的偏振信息,所以,通过解析目标的偏振信息可以更加容易的识别目标,同时由于偏振测量所具有的上述优点,它在云和大气气溶胶的探测、地质勘探、海洋开发、农牧业发展和军事等相关领域都具有重要的应用价值。同时,传统偏振成像一般采用被动工作方式,具有隐蔽性好的优点,但成像效果和距离均受到气象条件、目标温度对比度和天空背景照度等因素的限制。激光照明偏振成像技术克服了被动成像的缺点,在远距离暗目标探测和水下探测方面有着重要的应用。相对于被动成像而言,主动成像不依赖目标自身辐射(热成像)和目标对太阳或月亮等次光源的反射(可见光或近红外成像),而是依靠仪器自身(激光雷达)发出激光作为照明光源,由被探测目标反射或散射光子来提取目标的信息。所以激光照明偏振成像技术不受气象条件、目标温度及背景照度

偏振成像及偏振图像融合技术与方法模板

编号 偏振成像与偏振图像融合技术与方法 Technology and Method of Polarization Imaging and Polarization Image Fusion 学生姓名 专业 学号 学院 2014年06月

摘要:偏振成像技术能在杂乱背景下提高目标的识别率,对于人造假目标和伪装具有独特的辨别能力,同时能提高图像的对比度和清晰度。在过去的十几年中,成像偏振技术获得了迅速的发展,应用的范围也在不断地扩大,己经成为信息获取领域中的一个研究热点。本文主要论述了偏振成像技术的发展现状及应用前景,对偏振光的基本理论进行了研究。通过用数学表达式和矩阵对多源图像融合技术进行了详细的理论描述。 关键词:偏振成像图像融合斯托克斯参量琼斯矩阵

Abstract Polarization imaging has the ability to identify false targets and enhance images taken in poor visibility and even restore clear-day visibility of scene. In the past several years, polarization imaging has been developed rapidly, the scope of application in continually expanding, already became in the field of information for a research hotspot. This article mainly discusses the technology development status and the application prospect of polarized light and studies the basic theory of polarized light technology. By using mathematical expression and the matrix of the source image fusion technology detailed description of the theory. Keywords:Polarization Imaging; Polarization Image Fusion; Stokes parameter; Jones matrix

偏振光现象的观察和分析

偏振光现象的观察和分析 引言: 光的偏振现象有法国工程师马吕斯首先发现。对光偏振现象的研究清楚地显示了光的横波性,加深了人们对光传播规律的认识。近年来光的偏振特性在光调制器、光开关、光学计量、应力分析、光信息处理、光通信、激光、光电子器件中都有广泛应用。 本实验利用偏振片和1/4波片观察光的偏振现象,并分析和研究各种偏振光。从而了解1/4波片和1/2波片的作用及应用,加深对光偏振性质的认识。 实验原理 1、 偏振光的种类。 光可按光适量的不同振动状态分为五类: (1)线偏振光 (2)自然光 (3)部分偏振光 (4)园偏振光 (5)椭圆偏振光 使自然光变成偏振光的装置称为起偏器,用来检验偏振光的装置称为检偏器。 2、 线偏振光的产生。 (1)反射和折射产生偏振 自然光以 i B =arc tan n 的入射角从空气入射至折射率为n 的介质表面上时,反射光 为线偏振光。以 i B 入射到一叠平行玻璃堆上的自然光,透射出来后也为线偏振光。 (2)偏振片。 利用某些晶体的二向色性可使通过他的自然光变成线偏振光。 (3)双折射产生偏振。 自然光入射到双折射晶体后,出射的o 光和e 光都为线偏振光。 3、 波晶片 4、 线偏振光通过各种波片后偏振态的改变。 在光波的波面中取一直角坐标系,将电矢量E 分解为两个分量E X 和E y ,他们频率相同都为ω,设E y 相对E X 的相位差为?φ,即有 E X =A x cos ωt (2) E y =A y cos(ωt +?φ) (3) 由(2)、(3)两式得,对于一般情况,两垂直振动的合成为: e 轴 O 轴 θ 光 轴 图 1

中波红外光谱偏振成像技术及系统研究

中波红外光谱偏振成像技术及系统研究 光谱偏振成像技术是一种将光谱测量技术和偏振成像技术融为一体的新型 光学探测技术,它不仅可以获得被测目标物体的光谱信息,还可以获得被测目标 物体的图像信息和偏振信息,为目标物体的全方位准确识别提供了有力地保障。目前光谱偏振成像技术广泛应用于生物医学诊断、目标探测与识别、空间遥感、环境监测等领域。 为了能够准确理解光谱偏振成像技术的工作原理以及研究新型的光谱偏振 成像系统,本文依托于中波红外微型光谱测量系统、中波红外分孔径同时偏振成像系统对光谱偏振成像技术的光谱测量技术和偏振成像技术进行了研究。在此基础上,构建了中波红外光谱偏振成像系统。 中波红外光谱偏振成像系统是在传统的迈克尔逊系统的基础上,通过引入偏振调制模块和多级阶梯微反射镜,实现了偏振信息的测量和干涉系统的静态化。与传统的傅里叶变换型成像光谱系统相比,此系统除了具有光通量大、多通道的优点外,还具有信息量大的优点。 本论文的主要工作有以下三个部分:一、光谱测量技术研究:提出一种轻型的基于微光学元件的傅里叶变换光谱测量系统,并对系统进行了设计。改进了传统折衍混合单透镜光焦度的分配,得到了可应用于光谱测量系统的单片式准直系统。 基于波像差理论和Sellmeier色散公式,分析了前置准直系统残存的像差以及折衍混合单透镜的衍射面的衍射效率对光谱复原的影响。分析了微光学元件的衍射对光谱复原的影响。 与此同时,分析了微透镜阵列的像面和中继系统的物面的轴向装配误差对光谱复原的影响。最后借助光学分析软件ASAP对空间调制型的傅里叶变换红外光

谱测量系统进行了建模。 二、偏振成像技术研究:结合孔径分割技术和偏振探测技术,提出并设计了一种静态的中波红外分孔径同时偏振成像系统。采用等权重方差的优化方法对系统各通道线偏振片的偏振轴方向以及波片的快轴方向进行了优化,并通过仿真论证了优化方法的正确性。 基于分时偏振成像系统的傅里叶分析法和偏振测量结构的特点,提出一种误差标定和校准的新方法,并对标定理论进行了推导。对中波红外分孔径全偏振成像系统进行了装调、原理样机的集成和校准,并利用校准后的系统进行了偏振成像实验,观察到了明显的偏振现象。 最后对获得的偏振图像进行了图像融合,融合后的图像相较于普通光强图像,图像的细节更加清晰,图像的信息量更大,为目标景物的准确识别提供了有力的保障。三、光谱偏振成像技术研究:提出了一种基于微型静态干涉系统的中波红外傅里变换型线偏振干涉成像系,完成了系统的参数计算。 根据近轴光学理论,采用物镜像方远心和中继系统物方远心的设计方案,使物镜和中继系统很好的匹配,降低了能量损失。当入射光为非偏振光和线偏振光两种极端情况下,对系统的透过率进行了分析,进而对系统获取信息的能力进行评估。 采用邦加球螺旋线的采样方式,分析了旋转偏振的旋转误差,入射光的偏振度、偏振态对偏振信息准确测量的影响,并给出了旋转公差容限,为实际的装配提供指导。

激光的偏振

激光的偏振 “偏振”是各种激光器的普遍性质,这是由激光形成的原理决定的。激光束是由激光器内发光介质粒子的受激辐射形成的。受激辐射有鲜明的特点:外来光子照射激光上能级粒子时,粒子辐射出一个光子并跃迁到下能级,受激辐射所产生的光子与外来光子具有相同的相位、相同的传播方向和相同的偏振状态。当激光器内受激辐射形成光子流时,一个模式光子流中的全部光子都具有相同的相位、相同的传播方向和相同的偏振状态。这意味着一个激光纵模(频率)一定是偏振的。同时,激光相邻纵模的偏振态或为平行或为垂直。布儒斯特窗或Q调制电光晶体的使用是利用激光偏振的很好例证。 激光器“正交偏振”是指激光器两个相邻的频率具有互相垂直的偏振状态。一对左右旋圆偏振的光也应看做正交偏振光。一般说到“激光两正交偏振频率”时,其频差不是任意的,而是完全由激光腔长决定的。本书研究的则是如何使激光器产生任意频差的两个正交偏振频率,以及这类激光器的结构、特性和应用。第1章简洁而全面地介绍了激光器的一般原理。第2章介绍历史上与正交偏振激光相关的成就,主要是塞曼双频激光器和环形激光器,而环形激光器又包括三镜激光陀螺、环形激光流量计和四频(四镜)环形激光器。这些激光器并不都输出本书所专指的“正交偏振激光”,但它们和本书的“正交偏振激光”有一个共同的物理概念,即“激光频率分裂”现象——由一种物理效应把激光器的一个频率“分裂”成两个。历史上这些激光器使用塞曼效应、旋光效应、磁光法拉第效应、Sagnac效应形成激光频率分裂。 从第3章起到第6章,介绍由双折射效应在驻波激光器(管)中进行激光频率分裂,形成正交偏振振荡和输出。激光频率分裂所使用的双折射效应包括自然双折射效应、应力双折射效应、电光双折射效应等。从1988年在Optics Communications发表第一篇文章开始,至今已发展成一个原理、器件、现象和应用系统完整的学术体系。 塞曼双频激光器的原理是在He Ne激光放电管上加磁场。激光器加纵向磁场(磁场与光束平行),可以得到两正交圆偏振光(一个左旋,一个右旋)。如果加横向磁场(即磁场与光束垂直),则得到两正交线偏振光。值得指出的是:塞曼双频激光器左旋光和右旋光的频差不能大于3MHz,这就限制了它的应用范围。频差不能大于3MHz的原因是:只有当磁场增大时频差才能增加;但磁场大到一定时,左旋光和右旋光的中心频率的间隔太大,以至于两光的增益线完全分离,两中心频率不能同时对一个腔模进行模牵引,也就无法将一个频率“牵引”成两个频率。横向塞曼激光器输出频差比纵向塞曼激光器更小,一般在1MHz 以下。

大学物理实验报告系列之偏振光的分析

【实验名称】偏振光的分析【实验目的】 1.观察光的偏振现象,巩固理论知识,加深对光的偏振现象的认识。 2.学习直线偏振光的产生与检验方法,了解圆偏振光和正椭圆偏振光的产生和定性检验方法。 【实验仪器】 He-Ne激光器、光具座、偏振片(两块)、的1/4波片(两块)、玻璃平板及刻度盘、白屏等。 【实验原理】 1.光的偏振状态 偏振是指振动方向相对于波的传播方向的一种空间取向作用。它是横波的重要特性。光在传播过程中,若电矢量的振动只局限在某一确定平面内,这种光称为直线偏振光,又叫平面偏振光(因其电矢量的振动在同一平面内);若光波电矢量的振动随时间作有规律的改变,即电矢量的末端在垂直于光传播方向的平面上的轨迹是圆或椭圆,这样的光称为圆偏振光和椭圆偏振光;若光波电矢量的振动只在某一确定的方向上占优势,而在和它正交的方向上最弱,各方向的振动无固定的位相关系,这种光称为部分偏振光。 2.直线光,圆偏光,椭圆偏振光的产生。直线偏振光垂直通过波片的偏振状态

3. 鉴别各种偏振光的方法和步骤

【实验内容】 1.测定玻璃对激光波长的折射率 2.产生并检验圆偏振光 3.产生并检验椭圆偏振光 【数据表格与数据记录】 波长为时玻璃对于空气的相对折射率为。现象:两次最亮,两次消光。结论:圆偏振光 如果使检偏器的透振方向与暗方向平行,1/4波片与检偏器透振方向垂直或平行。现象:两次亮光,两次消光结论:椭圆偏振光 现象:两最亮,两次消光结论:线偏振光 【小结与讨论】 1.实验测的了时玻璃对空气的折射率为。 2.单色自然光经过起偏器和检偏器,旋转 检偏器一周,发现光电流相应出现两次消光现象,是分析其原因。 答:当检偏器的偏振化的方向和检偏器的偏振化的方向为 2 π 和 3 π 时,根据马吕斯定律 θ2 cos I I=可知,出现两次光强为零的情况,即光电流出现了2次消光现象。 3.自己设计实验进行了几种偏振光的检验的工作,搞清了几种偏振光的区别,以及怎样得到他们。

偏振现象的观察与分析

偏振现象的观察与分析 【实验目的】 1.通过观察光的偏振现象,加深对光波传播规律的认识。 2.掌握产生与检验偏振光的原理和方法。 【实验仪器】偏振实验箱 【实验原理】 一.偏振光的概念 光的波动的形式在空间传播是一种 电磁波,它的电矢量E与磁矢量H相互垂 直。矢量E和矢量H均垂直于光的传播 方向Z,属于横波。 实验证明光效应主要由电场引起的, 所以电场矢量E的方向定为光的振动方 向。 自然光源(如日光,各种照明灯等等) 发射的光是由构成这个光源的大量分子或原子发出的光波合成的。这些分子或原子的热运动和辐射是随机的, 它们所发射的光振动,出现在各个方向的几率相等, 所以这样的光源发射的光对外不显现偏振 性质,称之为自然光。 自然光经过媒质的反射,折射或者吸收 以后,在某一方向上振动加强成为部分偏振 光。如果光在传播过程中,振动始终被限制 在某一确定的平面内,称为平面偏振光, 也称线偏振光或完全偏振光。偏振光电矢 量E的端点在垂直于传播方向的平面内运 动轨迹是一圆周的称为圆偏振光,是一椭 圆的则称为椭圆偏振光。 二.获得线偏振光的方法

自然光变成偏振光称作起偏,可以起偏的器件分为透射式和反射式两种。(1)透射式起偏 如上图,设光强为I 0的自然光照在一偏振片(起偏器)上,则自然光中振动方向与偏振片透振方向相同的电矢量以及其它方向的电矢量在这个方向的分 量才能通过,成为线偏振光,因此光强变为2 1 I 0。然后再照射在第二块偏振片 (检偏器)上,该偏振片的透振方向与起偏器的透振方向夹角为,则出射光光强为: 20cos 2 1I I 这就是马吕斯定律 (2)反射式起偏 自然光在两种媒质的界面处, 如玻璃和空气的界面处反射和折射,当入射角为某一特定值时,反射光可以成为线偏振光 ,振动方向 垂直于入射面, 与界平面平行,折射光为部分偏振光,这种现象由布儒斯特(Brewster) 首先发现,因 此称为布儒斯特角,即起偏角。根据折射定律可得: 1 22 1010 1010 sin sin cos sin n n i i i i tgi 此式就是布儒斯特定律。 如果自然光的投射在多层的玻璃堆上 , 经过多次反射最后透射出的光也接

实验十一-偏振现象的观察与分析

实验十一偏振现象的观察与分析 光波是电磁波,其电矢量的振动方向垂直于传播方向,是横波.由于普通光源各原子分子发光的随机和无序性,光波电矢量的分布(方向和大小)对传播方向来说是对称的,反应不出横波特点,这种光称为自然光.如果限制了某振动方向的光而使光线的电矢量分布对其传播方向不再对称时,这种光称为偏振光.对于偏振现象的研究在光学发展史中有很重要的地位,光的偏振使人们对光的传播(反射、折射、吸收和散射)规律有了更透彻的认识,本实验将对光偏振的基本性质进行观察、分析和研究. ·实验目的 1.观察光的偏振现象,掌握产生和检验偏振光的原理和方法,学会确定偏振片的透振方向,验证马吕斯定律; 2.用反射起偏法测量平面玻璃的布儒斯特角,求得玻璃的折射率; 3.了解λ/4波片、λ/2波片的工作原理和作用(任选其中部分内容); ·实验仪器 光具座,He—Ne激光器,光点检流计,光电转换装置,GPS-Ⅱ型偏振光实验仪(包括偏振片×2,λ/4波片×2,λ/2波片×2,背面涂黑的玻璃片及刻度支架,小孔光阑,白屏). 图1 实验仪器(重拍) 偏振片及刻度旋转装置:由直径为2cm的偏振片固定在转盘上制成,转盘上指针的位置不一定是偏振片的透振方向. 波片及刻度旋转装置:由直径为2cm的波片固定在转盘上制成,转盘上指针的位置不一定是波片的快轴或慢轴的位置.

·实验原理 从自然光获得偏振光的办法有3种,即利用二向色性的材料制作的偏振片;利用晶体的双折射性质做成的偏振棱镜;利用光学各向同性的两介质分界面上的反射和折射.本实验中所用的偏振片是利用二向色性的材料制作的. 一、起偏、检偏与马吕斯定律 将自然光变成偏振光的过程称为起偏,检查偏振光的装置称为检偏.按照马吕斯定律,强度为I 0的线偏振光通过检偏器后,透射光的强度为: 20cos I I θ= (12-1) 式中I 0为入射线偏光的光强,θ为入射光偏振方向与检偏器透振轴之间的夹角.显然,当以光线传播方向为轴转动检偏器时,透射光强度I 将发生周期性变化.当 θ=00时,透射光强度最大;当θ=090时,透射光强度最小(消光状态);当00<θ<090时,透射光强度介于最大值和最小之间.因此,根据透射光强度变化的情况,可以区别光的不同偏振状态. 实验中让入射光共轴依次通过两个偏振片,旋转检偏器,读出不同θ角下出射光的强度,验证马吕斯定律. 二、布儒斯特定律和反射光的偏振 当自然光在空气中以某角度入射至折射率为n 的透明介质表面时,若反射线与折射线垂直,则其反射光为完全的线偏振光,振动方向垂直于入射面;而透射光为部分偏振光.此规律称为布儒斯特定律,入射角称为布儒斯特角,如图11-2所示. arctgn i b = (12-2) 实验中可通过用振动方向垂直于入射面的线偏光入射,再用检偏器检查反射光是否消光来确定布儒斯特角,求出玻璃材料的折射率n. 图11-2 布儒斯特定律示意图

偏振光分析

实验十九偏振光分析 实验目的 1、观察光的偏振现象,加深对偏振光的了解。 2、掌握产生和检验偏振光的原理和方法。 实验装置(图19-1) 1:He-Ne激光器7:X轴旋转二维架(SZ-06)2:升降调节底座SZ-03 8:偏振片 3:光栅转台SZ-10 9:升降调节底座(SZ-03)4:升降调节底座SZ-03 10:白屏(SZ-13) 5:平面镜M11:升降调节底座(SZ-03) 平面偏振光振片可以获得截面较宽的偏振光束,而且造价低廉,使 图19-2

用方便。偏振片的缺点是有颜色,光透过率稍低。 (2)由晶体双折射产生偏振 当自然光入射于某些各向异性晶体时,在晶体内折射后分解为两束平面偏振光,并以不同的速度在晶体内传播,可用某一方法使两束光分开,除去其中一束,剩余的一束就是平面偏振光。尼科耳(Nicol )棱镜是这类元件之一(图19-3)。它由两块经特殊切割的方解石晶体,用加拿大树胶合而成。透过尼科耳棱镜的平面偏振光的偏振面平行于晶体的主截面,垂直于主截面的偏振光被除掉。 图19-3 尼科耳棱镜 2、圆偏振光和椭圆偏振光的产生 如图19-4所示,当振幅为A 的平面偏振光垂直入射到表面平行于光轴的双折射晶片时,若振动方向与晶片光轴的夹角为α,则在晶片表面上o 光和e 光的振幅分别为αsin A 和αcos A ,它们的相位相同。进入晶片后,o 光和e 光虽然沿同一方向传播,但具有不同的速度。因此,经过厚度为d 的晶片后,o 光和e 光之间将产生相差δ d n n e o )(20 -λπ = δ, (19-1) 晶片 图 19-4 式中0λ表示光在真空中的波长,o n 和e n 分别为晶体中o 光和e 光的折射率。 (1)如果晶片的厚度使产生的相差π+= δ)12(2 1 k , 2,1,0=k ,这样的晶片称为1/4波片。平面偏振光通过1/4波片后,透射光一般是椭圆偏振光,当4/π=α 时,则为圆偏振光;但当0=α和2/π时,椭圆偏振光退化为平面偏振光。 换言之,1/4波片可将平面偏振光变成椭圆偏振光或圆偏振光;反之,它也可将椭圆偏振光或圆偏振光变成平面偏振光。

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