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【視覺知識】光波動過...

光波動過程中的三個基本特征17世紀(jì)，對于光的本質(zhì)成立了兩大對立學(xué)說，一方是以牛頓為代表的光的粒子說，另一方是以惠更斯為代表的光的波動說。為了驗證光的波動理論，惠更斯提出了著名的惠更斯原理。但由于牛頓的聲望以及當(dāng)時光波動說沒有完整的數(shù)學(xué)模型，粒子說的勢力一直為主導(dǎo)。直到1800年，英國物理學(xué)家托馬斯·楊提出了干涉的概念，并利用著名的楊氏干涉實(shí)驗證明了光的波動性，之后，在此基礎(chǔ)上，馬呂斯和菲涅爾分別利用波動性對偏振和衍射做出解釋，并建立光波動性的數(shù)學(xué)理論和計算體系。最后，愛因斯坦將兩種學(xué)說統(tǒng)一為波粒二象性。所以光的干涉現(xiàn)象，衍射現(xiàn)象和偏振現(xiàn)象是光波動過程中的基本特征，也是物理光學(xué)的主要研究對象。特點(diǎn)一光的干涉現(xiàn)象是指兩個或多個光波（光束）在某區(qū)域疊加時，在疊加區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的各點(diǎn)強(qiáng)度穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布現(xiàn)象。要滿足干涉，需要兩束或多束光振動方向相同，頻率相同的單色光疊加才能產(chǎn)生干涉。楊氏雙縫干涉實(shí)驗（圖1），利用同一光源S通過兩個狹縫S1和S2得到的兩束相干光束。由于兩條狹縫到光源距離相同，所以，兩束相干光束在同一波面，相位差為0，并且光強(qiáng)相等。圖1 楊氏雙縫干涉實(shí)驗這里，我們用a1和a2分別代表P點(diǎn)處兩束光的振幅大小。此處利用代數(shù)相加法計算光強(qiáng)有其中δ是光程差，其中Δ為光程，是路程與所在空間折射率相乘所得。將δ代入公式就有P點(diǎn)和振動光強(qiáng)公式，設(shè)I0為單束光光強(qiáng)最后可得出結(jié)論，光程差為波長的整數(shù)倍時，P點(diǎn)有最大光強(qiáng)，光程差為波長的奇數(shù)倍時，P點(diǎn)光強(qiáng)最小。這個實(shí)驗很有力的證明了光的波動理論。特點(diǎn)二光的偏振與干涉衍射不同的是證明了光是橫波，也證明了麥克斯韋電磁理論的正確性。生活中大部分照明光如日光都是自然光，自然光的振動方向是向各個方向，無規(guī)則的振動。光的偏振是一束自然光入射到各項異性晶體中，會分解為兩束偏振光。在光波中，如果光矢量的振動方向在傳播過程中保持不變，只是它的大小隨相位改變，這種光成為線偏振光；圓偏振光在傳播過程中，它的光矢量大小不變，而方向，繞傳播軸均勻的轉(zhuǎn)動，端點(diǎn)的軌跡是一個圓；橢圓偏振光在傳播過程中大小和方向都有規(guī)律的變化，光矢量端點(diǎn)沿著一個橢圓軌跡轉(zhuǎn)動。圖2 偏振光在生活中，最常見的是線偏振光，比如電腦液晶顯示器，它的原理是利用背光板發(fā)出的自然光，經(jīng)過偏振片，形成固定為以某一方向振動的線偏振光，之后會經(jīng)過液晶層，液晶的兩側(cè)包裹著電極會對液晶通入電壓，液晶的特性是會在電壓的作用下，會使線偏振光產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，也就是說會改變偏振光的振動方向。改變振動方向的光再遇到一個與第一個偏振片起偏方向垂直的偏振片。根據(jù)不同的偏轉(zhuǎn)角度，得到的光強(qiáng)隨液晶將光偏轉(zhuǎn)角度的不同會有強(qiáng)有弱，由電壓控制，最后由三個這樣的單位，分別通過紅綠藍(lán)三種顏色的濾色器，得到一個RGB像素點(diǎn)。圖3 液晶顯示器發(fā)光原理特點(diǎn)三衍射，光波在傳播過程中遇到障礙物時，會偏離原來的傳播方向彎入障礙物的幾何影區(qū)內(nèi)，并在幾何影區(qū)和幾何照明區(qū)內(nèi)形成光強(qiáng)的不均勻分布的現(xiàn)象。17世紀(jì)菲涅爾在惠更斯的干涉理論上加以補(bǔ)充，發(fā)展成為惠更斯-菲涅爾原理。菲涅爾在研究了光的干涉現(xiàn)象以后，考慮到干涉現(xiàn)象來自于同一光源，它們是相干光，因而波前任意一點(diǎn)的光振動應(yīng)該是波前上所有子波相干的結(jié)果。這種子波相干疊加的思想叫做惠更斯-菲尼爾原理。在成像系統(tǒng)中，衍射問題是不可避免的，在幾何光學(xué)中，因為任何光學(xué)儀器都有限制光束的光瞳。這樣使原本在像方成像的點(diǎn)，變成一個衍射光斑。但相比波長來說，光瞳尺寸要大的多，就使得衍射像斑還是極小的。圖4 衍射圖案如圖4所示，一個圓孔的衍射圖形實(shí)際使一個環(huán)形圖案，這種可以稱為多級衍射條紋。圖5 分辨兩個衍射點(diǎn)當(dāng)兩個接近的點(diǎn)成像后就會如圖5所示，兩個衍射圓會有部分重疊在一起，如果距離更加接近，光強(qiáng)分界線變得模糊，不明顯，使得我們無法分辨兩個點(diǎn)，此時兩個點(diǎn)之間的距離有了一個定義，當(dāng)兩個點(diǎn)逐漸接近，使得我們能恰好分辨兩個點(diǎn)的距離，稱為分辨率。這也是衍射對幾何光學(xué)最主要的影響。為了更好統(tǒng)一恰好分辨這個概念，一般在光學(xué)中利用瑞利判據(jù)，定義一個點(diǎn)物衍射圖樣的中央極大與近旁另一點(diǎn)物衍射圖樣的第一極小重合，作為光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨極限，認(rèn)為此時恰好可以分辨開兩個點(diǎn)物。【來源：光虎光學(xué)內(nèi)部培訓(xùn)資料】光虎光學(xué)專業(yè)生產(chǎn)由德國設(shè)計的工業(yè)鏡頭。以高精度雙遠(yuǎn)心鏡頭為核心，涵蓋高性能FA定焦鏡頭、變倍鏡頭等產(chǎn)品。可實(shí)現(xiàn)為客戶定制化研發(fā)生產(chǎn)。光虎光學(xué)還代理歐美日機(jī)器視覺全系列產(chǎn)品。如面陣與線掃工業(yè)相機(jī)、智能相機(jī)、3D相機(jī)、紅外與紫外相機(jī)、光源、圖像采集卡、機(jī)器視覺軟件及其他周邊產(chǎn)品。http://www.audacee.com.cn/

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