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光學顯微鏡偏振光的基礎知識

2013-10-16  發布者:admin 

 

 

偏振光的實用知識

光是一定波段範圍的電磁波,是由與傳播方向垂直的電場和磁場交替轉換的振動形成的。AG亚游集团的眼睛能夠看到的隻是電磁波中的一個很小的波長範圍,即400納米到700納米左右,這個範圍的電磁波稱為可見光。電磁波的振動方向與傳播方向是垂直的,AG亚游集团稱之為橫波。橫波就必然有一個偏振的問題。由於同光學發展曆史有關的原因,人們常把磁矢量的方向叫做偏振方向,並把磁矢量的傳播方向所決定的平麵叫做偏振麵。
眼睛所能看見的光
自然光:雖然光從本質上來說是偏振的,但是自然界的大多數情況下,光表現出非偏振的。這是因為AG亚游集团所看到的自然光(如太陽光,燈光)是由許多光波串組成的。這些光波串中每一串都是偏振的,但是它們的偏振方向是隨機的,不斷變化著的。在AG亚游集团的觀察時間段裏平均後,在任何一個方向上都沒有優勢。這就是自然光,也叫非偏振光。
線偏振光:讓自然光通過一個起偏振器件後,隻有一個方向的偏振光能夠通過這個器件,AG亚游集团就得到了線偏振光。線偏振光的振動方向是確定的。
部分偏振光:如果線偏振光中混有一部分自然光,也就是說,這種光包含著各種方向的偏振光,而在某一方向的上體現出偏振的優勢。這就是部分偏振光。
園偏振光:這種光的偏振方向是有規律的旋轉著的。而光矢量在旋轉過程中的強度是保持一定的。也就是光矢量是沿著一個園旋轉的。這就是園偏振光。在AG亚游集团的觀察時間段中平均後,園偏振光看上去是與自然光一樣的。但是園偏振光的偏振方向是按一定規律變化的,而自然光的偏振方向變化是隨機的,沒有規律的。
橢園偏振光:這種光的偏振方向也是在規律的旋轉著的,但是它的光矢量在旋轉過程中強度也在變化。也就是光矢量是沿著一個橢園旋轉的。橢園偏振光在觀察時間段裏平均後的結果與部分偏振光相似。但是與部分偏振光不同,它的偏振方向以及光矢量的大小是按一定規律變化的。
偏振光
用偏振濾鏡可以消除水麵、玻璃麵和其他非金屬表麵反射光,這是因為在這些介麵上反射光的偏振狀態發生了變化。
AG亚游集团大家都知道,光在不同折射率的介質的界麵上會發生反射和折射。入射角與反射角、折射角的關係分別服從反射定律和折射定律。在非金屬的界麵上,當反射光線與折射光線成直角時,反射光線將是線偏振光,這就是有名的布儒斯特原理。此時的入射角就稱為布儒斯特角。
從下圖可以看出,當光線從空氣(介質1,嚴格地說應該是真空)射入介質2時,布儒斯特角的正切值等於介質2的折射率n。由於介質的折射率是與光波長有關的,對同樣的介質,布儒斯特角的大小也是與光波長有關的。以光學玻璃折射率1.4-1.9計算,布儒斯特角大約為54-62度左右。當入射角偏離布儒斯特角時,反射光將是部分偏振光。
布儒斯特原理
下麵這張照片拍攝時沒有加偏振濾鏡,玻璃麵上的反射光現象很明顯。此照片拍攝時相機指向與玻璃大約成45度角。
沒有加偏振濾鏡,玻璃麵上的反射光現象.jpg
下麵的照片是加上偏振濾鏡後拍攝的。相機指向與玻璃仍然是45度角左右。可以看出,雖然偏振濾鏡消去了大部分的反射光,但是仍然有一部分反射光存在。這是因為在45度角離布儒斯特角甚遠,玻璃麵上的反射光是部分偏振光,偏振濾鏡無法把這樣的反射光全部濾去。
下麵這樣照片拍攝時調整了相機的位置,使相機與玻璃麵的夾角大約在55度,基本上等於布儒斯特角。從玻璃麵上反射光是線偏振光,用偏振濾鏡可以把反射光幾乎全部濾去。從這幾張照片中可以看出,隻有在布儒斯特角入射的光線,其反射光才會是線偏振的。。另外,AG亚游集团還應該注意到,攝影中所用的線偏振濾鏡是用人造偏振片製成的。與實驗室裏用於產生線偏振光的偏振器件如尼科爾棱鏡不同,人造偏振片是利用其對平行和垂直與光軸方向的偏振光吸收率不同(二向色性)而產生偏振光的。雖然AG亚游集团稱其為線偏振濾鏡,但是AG亚游集团要知道:線偏振並不“線”。因為自然光通過這種濾鏡後並不是真正的線偏振光,而是部分偏振光,其偏振度由人造偏振片的質量決定。
加上偏振濾鏡後拍攝的圖像,調整了相機的位置
園偏振鏡是由一塊線偏振鏡和一塊四分之一波片組成的。四分之一波片是用一種各向異性介質做成的。光在這種介質中傳播時,可以分解為兩種光矢量相互垂直的線偏振光,一種稱為尋常光線(Ordinary light,O光),另一種稱為非常光線(Extra-ordinary light,E光)。這兩種光在介質中的傳播速度是不同的。當一束線偏振光以適當的方向(即偏振方向與O光、E光方向均成45度)射入這種介質中時,就能分解成強度相等的O光和E光在介質中傳播(如下圖,紅色矢量表示入射偏振光方向,振動著的紅點分別表示O光和E光方向)。
偏振光矢量圖
由於O光與E光在各向異性介質中的傳播速度不同,入射時線偏振光分解成的O光與E光是同相位的。經過一段距離的傳播後,O光與E光之間就會產生一定的相位差。
各向異性介質
如果各向異性介質的厚度正好使O光與E光在射出介質時的相位差為90度,即二分之一PI時,兩種光合成時就是一種光矢量(偏振麵)沿著園周轉動的特殊偏振光。這種偏振麵不斷地在轉動的偏振光就是園偏振光。(如下圖,紅點表示O光與E光,請注意,此時O光與E光有90度的位相差。紅色箭頭就是轉動著的合成光矢量。)
合成光矢量
但是,如果O光與E光之間的位相差不是90度,則合成的光就會是不同橢園度的橢園偏振光(或者線偏振光)。下圖列出了幾種不同位相差時的情況。
幾種不同位相差
AG亚游集团知道,園周角是360度,相當於一個波長。上述的90度位相差也就相當於四分之一的波長。如果各向異性介質的厚度正好能在O光與E光之間引起90度的位相差,就能把一定偏振方向的線偏振光“變成”園偏振光。因此AG亚游集团稱其為四分之一波片。如果這種介質的厚度引起了180度的位相差,就會使入射的線偏振光“轉過”了90度(下圖)。AG亚游集团稱其為半波片。前麵說過,園偏振濾鏡就是由線偏振鏡加上一塊四分之一波片組成的,而且,線偏振鏡的偏振方向與四分之一波片的O光(或E光)成45度的。
線偏振光“轉過”了90度
以上是園偏振鏡的原理,而AG亚游集团實際上使用的園偏振濾鏡,並不能產生真正的園偏振光。這就是:園偏振並不“園”。
另外AG亚游集团還必須考慮以下幾個因素:
,通過園偏振濾鏡後的光線仍然的橢園偏振光,仍然有反射光強減弱的問題。也就是說,即使用了園偏振濾鏡,也隻是在一定程度上有所改善。
因此,線偏振濾鏡對AF的影響隻是有可能使對焦失敗,並不影響對焦精度。這種情況在光線較暗的場合即使不用偏振鏡也會發生,此時完全可以用手動進行對焦。而且發生這種情況的可能性遠比想象的要低得多。
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再來看看線偏振對自動測光的影響。下麵是一張示意圖。自動測光實際上是根據傳感器上接收到的采樣光光強來計算成像光的光強的。很顯然,要計算結果正確,必要條件是采樣光與成像光的光強之比是一個固定值。如果入射光是線偏振光,由於此時反射光的光強與偏振光的偏振方向有關,對於同樣的成像光就會有不同的采樣光強。結果必然是測光不準,影響了照片拍攝的效果。由於偏振光對反射的影響是減小了反射光強,造成的結果是使相機“誤以為”入射光很弱而增加了曝光量,也就是過曝。而園偏振濾鏡使入射光變成園偏振光,就可能避免測光不準。
但是,由於上麵所說的兩個因素,線偏振鏡造成的測光不準的程度並不是想像中那麽嚴重,而園偏振鏡也隻是改善測光準確度。特別是在DC的情況下,拍攝效果當場可見,完全可以根據情況調整曝光量,或者采取向減少曝光量的方向包圍曝光。
偏振鏡對比作用:在一些情況下加上偏振光是有效果的如圖所示:
下圖是沒加偏振鏡的情況,反射光比較強使水底下的缸比較模糊。
沒加偏振鏡
這是用了偏振鏡的情況,水底下的缸清晰可見。

用了偏振鏡的情況,水底下的缸清晰可見


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