设为首页 | 添加收藏 |sitemap |百度地图 |
货真价实 坦诚无欺
新闻资讯

光学显微镜偏振光的基础知识

2013-10-16  发布者:admin 

 

 

偏振光的实用知识

光是一定波段范围的电磁波,是由与传播方向垂直的电场和磁场交替转换的振动形成的。我们的眼睛能够看到的只是电磁波中的一个很小的波长范围,即400纳米到700纳米左右,这个范围的电磁波称为可见光。电磁波的振动方向与传播方向是垂直的,我们称之为横波。横波就必然有一个偏振的问题。由于同光学发展历史有关的原因,人们常把磁矢量的方向叫做偏振方向,并把磁矢量的传播方向所决定的平面叫做偏振面。
眼睛所能看见的光
自然光:虽然光从本质上来说是偏振的,但是自然界的大多数情况下,光表现出非偏振的。这是因为我们所看到的自然光(如太阳光,灯光)是由许多光波串组成的。这些光波串中每一串都是偏振的,但是它们的偏振方向是随机的,不断变化着的。在我们的观察时间段里平均后,在任何一个方向上都没有优势。这就是自然光,也叫非偏振光。
线偏振光:让自然光通过一个起偏振器件后,只有一个方向的偏振光能够通过这个器件,我们就得到了线偏振光。线偏振光的振动方向是确定的。
部分偏振光:如果线偏振光中混有一部分自然光,也就是说,这种光包含着各种方向的偏振光,而在某一方向的上体现出偏振的优势。这就是部分偏振光。
园偏振光:这种光的偏振方向是有规律的旋转着的。而光矢量在旋转过程中的强度是保持一定的。也就是光矢量是沿着一个园旋转的。这就是园偏振光。在我们的观察时间段中平均后,园偏振光看上去是与自然光一样的。但是园偏振光的偏振方向是按一定规律变化的,而自然光的偏振方向变化是随机的,没有规律的。
椭园偏振光:这种光的偏振方向也是在规律的旋转着的,但是它的光矢量在旋转过程中强度也在变化。也就是光矢量是沿着一个椭园旋转的。椭园偏振光在观察时间段里平均后的结果与部分偏振光相似。但是与部分偏振光不同,它的偏振方向以及光矢量的大小是按一定规律变化的。
偏振光
用偏振滤镜可以消除水面、玻璃面和其他非金属表面反射光,这是因为在这些介面上反射光的偏振状态发生了变化。
我们大家都知道,光在不同折射率的介质的界面上会发生反射和折射。入射角与反射角、折射角的关系分别服从反射定律和折射定律。在非金属的界面上,当反射光线与折射光线成直角时,反射光线将是线偏振光,这就是有名的布儒斯特原理。此时的入射角就称为布儒斯特角。
从下图可以看出,当光线从空气(介质1,严格地说应该是真空)射入介质2时,布儒斯特角的正切值等于介质2的折射率n。由于介质的折射率是与光波长有关的,对同样的介质,布儒斯特角的大小也是与光波长有关的。以光学玻璃折射率1.4-1.9计算,布儒斯特角大约为54-62度左右。当入射角偏离布儒斯特角时,反射光将是部分偏振光。
布儒斯特原理
下面这张照片拍摄时没有加偏振滤镜,玻璃面上的反射光现象很明显。此照片拍摄时相机指向与玻璃大约成45度角。
没有加偏振滤镜,玻璃面上的反射光现象.jpg
下面的照片是加上偏振滤镜后拍摄的。相机指向与玻璃仍然是45度角左右。可以看出,虽然偏振滤镜消去了大部分的反射光,但是仍然有一部分反射光存在。这是因为在45度角离布儒斯特角甚远,玻璃面上的反射光是部分偏振光,偏振滤镜无法把这样的反射光全部滤去。
下面这样照片拍摄时调整了相机的位置,使相机与玻璃面的夹角大约在55度,基本上等于布儒斯特角。从玻璃面上反射光是线偏振光,用偏振滤镜可以把反射光几乎全部滤去。从这几张照片中可以看出,只有在布儒斯特角入射的光线,其反射光才会是线偏振的。。另外,我们还应该注意到,摄影中所用的线偏振滤镜是用人造偏振片制成的。与实验室里用于产生线偏振光的偏振器件如尼科尔棱镜不同,人造偏振片是利用其对平行和垂直与光轴方向的偏振光吸收率不同(二向色性)而产生偏振光的。虽然我们称其为线偏振滤镜,但是我们要知道:线偏振并不“线”。因为自然光通过这种滤镜后并不是真正的线偏振光,而是部分偏振光,其偏振度由人造偏振片的质量决定。
加上偏振滤镜后拍摄的图像,调整了相机的位置
园偏振镜是由一块线偏振镜和一块四分之一波片组成的。四分之一波片是用一种各向异性介质做成的。光在这种介质中传播时,可以分解为两种光矢量相互垂直的线偏振光,一种称为寻常光线(Ordinary light,O光),另一种称为非常光线(Extra-ordinary light,E光)。这两种光在介质中的传播速度是不同的。当一束线偏振光以适当的方向(即偏振方向与O光、E光方向均成45度)射入这种介质中时,就能分解成强度相等的O光和E光在介质中传播(如下图,红色矢量表示入射偏振光方向,振动着的红点分别表示O光和E光方向)。
偏振光矢量图
由于O光与E光在各向异性介质中的传播速度不同,入射时线偏振光分解成的O光与E光是同相位的。经过一段距离的传播后,O光与E光之间就会产生一定的相位差。
各向异性介质
如果各向异性介质的厚度正好使O光与E光在射出介质时的相位差为90度,即二分之一PI时,两种光合成时就是一种光矢量(偏振面)沿着园周转动的特殊偏振光。这种偏振面不断地在转动的偏振光就是园偏振光。(如下图,红点表示O光与E光,请注意,此时O光与E光有90度的位相差。红色箭头就是转动着的合成光矢量。)
合成光矢量
但是,如果O光与E光之间的位相差不是90度,则合成的光就会是不同椭园度的椭园偏振光(或者线偏振光)。下图列出了几种不同位相差时的情况。
几种不同位相差
我们知道,园周角是360度,相当于一个波长。上述的90度位相差也就相当于四分之一的波长。如果各向异性介质的厚度正好能在O光与E光之间引起90度的位相差,就能把一定偏振方向的线偏振光“变成”园偏振光。因此我们称其为四分之一波片。如果这种介质的厚度引起了180度的位相差,就会使入射的线偏振光“转过”了90度(下图)。我们称其为半波片。前面说过,园偏振滤镜就是由线偏振镜加上一块四分之一波片组成的,而且,线偏振镜的偏振方向与四分之一波片的O光(或E光)成45度的。
线偏振光“转过”了90度
以上是园偏振镜的原理,而我们实际上使用的园偏振滤镜,并不能产生真正的园偏振光。这就是:园偏振并不“园”。
另外我们还必须考虑以下几个因素:
,通过园偏振滤镜后的光线仍然的椭园偏振光,仍然有反射光强减弱的问题。也就是说,即使用了园偏振滤镜,也只是在一定程度上有所改善。
因此,线偏振滤镜对AF的影响只是有可能使对焦失败,并不影响对焦精度。这种情况在光线较暗的场合即使不用偏振镜也会发生,此时完全可以用手动进行对焦。而且发生这种情况的可能性远比想象的要低得多。
115258f8ae4
再来看看线偏振对自动测光的影响。下面是一张示意图。自动测光实际上是根据传感器上接收到的采样光光强来计算成像光的光强的。很显然,要计算结果正确,必要条件是采样光与成像光的光强之比是一个固定值。如果入射光是线偏振光,由于此时反射光的光强与偏振光的偏振方向有关,对于同样的成像光就会有不同的采样光强。结果必然是测光不准,影响了照片拍摄的效果。由于偏振光对反射的影响是减小了反射光强,造成的结果是使相机“误以为”入射光很弱而增加了曝光量,也就是过曝。而园偏振滤镜使入射光变成园偏振光,就可能避免测光不准。
但是,由于上面所说的两个因素,线偏振镜造成的测光不准的程度并不是想像中那么严重,而园偏振镜也只是改善测光准确度。特别是在DC的情况下,拍摄效果当场可见,完全可以根据情况调整曝光量,或者采取向减少曝光量的方向包围曝光。
偏振镜对比作用:在一些情况下加上偏振光是有效果的如图所示:
下图是没加偏振镜的情况,反射光比较强使水底下的缸比较模糊。
没加偏振镜
这是用了偏振镜的情况,水底下的缸清晰可见。

用了偏振镜的情况,水底下的缸清晰可见


沪公网安备 31011202003519号