机器视觉4——光的偏振

2020-02-26 14:06:15 浏览数 (2)

黑色,宇宙最初的颜色,为零。当有了光,就有了颜色,所有的颜色汇聚在一起,成白色。

白色是集大成的颜色,好似一片混沌,清浊不分。

而你的真色彩,可能是一道靓丽的彩虹。

就像人的性格是复杂的,复杂的人性交织在一起,可能呈现出一个平凡的人,透过平凡穿入内心,也许放射出一种不一样的色彩。

这个色彩,就是属于你自己的震动方向。

就是,属于你自己的,偏振:)

我们都知道,颜色是由光的波长或者频率决定的。但是光还具有另一个性质:偏振。光波沿着不同方向振动,形成偏振,会影响到我们对色彩的接收和辨识。

光的偏振,就是单个光波的扰动方向。

既然我们知道光波本质上就是电磁波。那么,光的偏振方向实际上就是电磁波振动的方向,由于实际情况中,电场分量比磁场分量要强大许多,因此,我们可以只考虑电场分量的振动。也就是,电场的振动方向,就是光的偏振方向。

回顾《机器视觉3——电磁波》,我们了解到,光波,即电磁波的传播符合波动方程,本质上是一个正弦波。如下图。

从上图,可以看出,光波沿Y轴上下振动,而波的传播方向,沿Z轴传播。波的振动方向(Y)与传播方向(Z)具有垂直关系。

事实上,从几何光学观点描述的话,无论是平面光(图2)还是球面光(图3),其光的传播方向总与电场的扰动方向垂直

现在,从上述描述中,我们抽取出单个光波,那么它的振动在垂直于传播方向,即XOY平面上的投影,应该是一条直线。如下图。

我们称之为线性偏振。从上图可以看出,对于线性偏振,光波始终在一个平面(YOZ)内振荡。

它的波动方程为(在此我们用余弦代替正弦表述):

现在光波不仅局限在一个平面(YOZ)内振荡,而且还沿Z轴旋转。这样它在垂直于传播方向的平面(XOY)内的投影就是一个椭圆。如下图:

我们称这种偏振为椭圆偏振。

此时波动方程组为:

其中:

也就是说光波t时刻的某一点在X轴上的投影位置,不再是0,而是和时间t以及波在X、Y方向的初始相位有关的值。也就是说,波在XOY平面上的投影不再是与Y轴重合的直线,而是与X、Y轴都相关的曲线。

这条曲线的轨迹,也就是振动在XOY上的投影是个椭圆,如下图.

由此,我们可以看出,电磁波或者说电场的扰动方向决定了光的偏振特性。线性偏振是椭圆偏振的特殊情况。

对于线性偏振而言,就像鱼儿在水里游,有的鱼儿左右摆动,有的鱼儿上下摆动。上下,左右,就构成了不同方向的偏振。假如有一张滤网,能够过滤出不同方向摆动的鱼儿,那这个滤网,就相当于一个偏振片,能够过滤出不同方向振动的线性偏振光,于是我们就可以从一片混沌的非偏振光中筛选过滤出偏振光。

偏振片大量用在摄影技术上,用来使景象更加清晰或颜色更加绚丽。双折射加偏振片,会观察到彩虹色。听说,若在飞机上透过偏振片观察舷窗之外的天空,会看到有彩虹出现。

参考:

《Machine Vision——Automated Visual Inspection:Theory,Practice and Applications》

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