【视觉知识】光波动过程中的三个基本特征

  • 作者:

  • 来源:光虎光电科技(天津)有限公司

  • 访问量:922

  • 发布时间:2023-09-04 02:00:48

光波动过程中的三个基本特征



17世纪,对于光的本质成立了两大对立学说,一方是以牛顿为代表的光的粒子说,另一方是以惠更斯为代表的光的波动说。

为了验证光的波动理论,惠更斯提出了著名的惠更斯原理。但由于牛顿的声望以及当时光波动说没有完整的数学模型,粒子说的势力一直为主导。

直到1800年,英国物理学家托马斯·杨提出了干涉的概念,并利用著名的杨氏干涉实验证明了光的波动性,之后,在此基础上,马吕斯和菲涅尔分别利用波动性对偏振和衍射做出解释,并建立光波动性的数学理论和计算体系。

最后,爱因斯坦将两种学说统一为波粒二象性。所以光的干涉现象,衍射现象和偏振现象是光波动过程中的基本特征,也是物理光学的主要研究对象。

特点一


光的干涉现象是指两个或多个光波(光束)在某区域叠加时,在叠加区域内出现的各点强度稳定的强弱分布现象。要满足干涉,需要两束或多束光振动方向相同,频率相同的单色光叠加才能产生干涉。

杨氏双缝干涉实验(图1),利用同一光源S通过两个狭缝S1和S2得到的两束相干光束。由于两条狭缝到光源距离相同,所以,两束相干光束在同一波面,相位差为0,并且光强相等。

图1 杨氏双缝干涉实验

这里,我们用a1和a2分别代表P点处两束光的振幅大小。此处利用代数相加法计算光强有

其中δ是光程差,

其中Δ为光程,是路程与所在空间折射率相乘所得。
将δ代入公式就有P点和振动光强公式,设I0为单束光光强

最后可得出结论,光程差为波长的整数倍时,P点有最大光强,光程差为波长的奇数倍时,P点光强最小。
这个实验很有力的证明了光的波动理论。

特点二


光的偏振与干涉衍射不同的是证明了光是横波,也证明了麦克斯韦电磁理论的正确性。生活中大部分照明光如日光都是自然光,自然光的振动方向是向各个方向,无规则的振动。光的偏振是一束自然光入射到各项异性晶体中,会分解为两束偏振光。

在光波中,如果光矢量的振动方向在传播过程中保持不变,只是它的大小随相位改变,这种光成为线偏振光;圆偏振光在传播过程中,它的光矢量大小不变,而方向,绕传播轴均匀的转动,端点的轨迹是一个圆;椭圆偏振光在传播过程中大小和方向都有规律的变化,光矢量端点沿着一个椭圆轨迹转动。

图2 偏振光

在生活中,最常见的是线偏振光,比如电脑液晶显示器,它的原理是利用背光板发出的自然光,经过偏振片,形成固定为以某一方向振动的线偏振光,之后会经过液晶层,液晶的两侧包裹着电极会对液晶通入电压,液晶的特性是会在电压的作用下,会使线偏振光产生旋转,也就是说会改变偏振光的振动方向。改变振动方向的光再遇到一个与第一个偏振片起偏方向垂直的偏振片。根据不同的偏转角度,得到的光强随液晶将光偏转角度的不同会有强有弱,由电压控制,最后由三个这样的单位,分别通过红绿蓝三种颜色的滤色器,得到一个RGB像素点。

图3 液晶显示器发光原理

特点三


衍射,光波在传播过程中遇到障碍物时,会偏离原来的传播方向弯入障碍物的几何影区内,并在几何影区和几何照明区内形成光强的不均匀分布的现象。

17世纪菲涅尔在惠更斯的干涉理论上加以补充,发展成为惠更斯-菲涅尔原理。菲涅尔在研究了光的干涉现象以后,考虑到干涉现象来自于同一光源,它们是相干光,因而波前任意一点的光振动应该是波前上所有子波相干的结果。这种子波相干叠加的思想叫做惠更斯-菲尼尔原理。

在成像系统中,衍射问题是不可避免的,在几何光学中,因为任何光学仪器都有限制光束的光瞳。这样使原本在像方成像的点,变成一个衍射光斑。但相比波长来说,光瞳尺寸要大的多,就使得衍射像斑还是极小的。

图4 衍射图案

如图4所示,一个圆孔的衍射图形实际使一个环形图案,这种可以称为多级衍射条纹。
5 分辨两个衍射点
当两个接近的点成像后就会如图5所示,两个衍射圆会有部分重叠在一起,如果距离更加接近,光强分界线变得模糊,不明显,使得我们无法分辨两个点,此时两个点之间的距离有了一个定义,当两个点逐渐接近,使得我们能恰好分辨两个点的距离,称为分辨率。这也是衍射对几何光学最主要的影响。为了更好统一恰好分辨这个概念,一般在光学中利用瑞利判据,定义一个点物衍射图样的中央极大与近旁另一点物衍射图样的第一极小重合,作为光学成像系统的分辨极限,认为此时恰好可以分辨开两个点物。

【来源:光虎光学内部培训资料】


光虎光学专业生产由德国设计的工业镜头
以高精度双远心镜头为核心,涵盖高性能FA定焦镜头、变倍镜头等产品。
可实现为客户定制化研发生产。光虎光学还代理欧美日机器视觉全系列产品。
如面阵与线扫工业相机、智能相机、3D相机、红外与紫外相机、光源、图像采集卡、机器视觉软件及其他周边产品。