在浩瀚的光學(xué)世界里，偏振光如同一把鑰匙，悄然開(kāi)啟了傳感器光學(xué)應(yīng)用的新紀(jì)元。它不僅僅是光波振動(dòng)方向的一種特殊表現(xiàn)，更是現(xiàn)代工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)中不可或缺的核心元素。

早在10年前，明治的光學(xué)工程師便將偏振技術(shù)融入光電傳感器的設(shè)計(jì)中。當(dāng)偏振光與傳感器技術(shù)相遇，一場(chǎng)關(guān)于精準(zhǔn)測(cè)量、高效檢測(cè)與智能識(shí)別的革命悄然興起。

光的偏振是指光波沿特定方向振動(dòng)的行為。通俗地說(shuō)，光可以像水波一樣振動(dòng)，但光的振動(dòng)方向并不是無(wú)序的，而是沿著特定的方向振動(dòng)。這種振動(dòng)方向的特性稱(chēng)為光的偏振。

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偏振光的研究起源

1669年，丹麥科學(xué)家拉斯穆·巴多林第一次通過(guò)石英晶體發(fā)現(xiàn)了雙折射——“線(xiàn)條魔法（紙上一條線(xiàn)，透過(guò)石英看到兩條線(xiàn)）”；1690年，恵更斯在《光論》里對(duì)這一物理現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的論述，但無(wú)法解釋?zhuān)煌瑫r(shí)代的牛頓對(duì)雙折射現(xiàn)象的成因進(jìn)行了猜測(cè)，但以失敗而告終，因?yàn)榕ｎD用光的粒子性解釋這種現(xiàn)象。1803年托馬斯·楊著名的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性，到了1808年，“偏振之父”馬呂斯在波動(dòng)光學(xué)的基礎(chǔ)上完美地解釋了雙折射現(xiàn)象，并將這種性質(zhì)稱(chēng)為“偏振”，證實(shí)了偏振是光的一種固有特性，于第二年發(fā)表論文提出了著名的馬呂斯定律，從此開(kāi)啟了人類(lèi)認(rèn)知世界的又一個(gè)新維度。

左圖為雙折射現(xiàn)象，右圖為光的偏振特性

由于偏振是波動(dòng)光學(xué)的特性，需要用波動(dòng)方程來(lái)描述，導(dǎo)致在實(shí)際測(cè)量、描述、應(yīng)用計(jì)算中過(guò)于繁瑣，很難用。于是，天才數(shù)學(xué)家斯托克斯于1852年提出了著名的 Stoke向量來(lái)描述偏振光，使得偏振變得簡(jiǎn)潔明了。你看，用四個(gè)參量S0、S1、S2、S3（也常用I、Q、U、V表示）組成4×1的列向量來(lái)確定光波的偏振態(tài)。

Stokes矢量

1892年，龐加萊提出了能夠直觀描述偏振態(tài)的Poincaré球表示法，1941年，瓊斯引入Jones向量來(lái)描述，但該方法具有一定局限性，其只適用于完全偏振光，若想對(duì)于部分偏振光或非偏光進(jìn)行計(jì)算，則需使用穆勒矩陣。

Poincaré球

Mueller矩陣由美國(guó)物理學(xué)家穆勒于1943年提出，用于表示斯托克斯矢量之間的變換，矩陣由4×4共16個(gè)參量構(gòu)成。對(duì)于一般介質(zhì)，通常各個(gè)穆勒矩陣元都具有特定的物理意義。無(wú)論是Stokes向量還是Mueller矩陣，都能夠很好地描述偏振特性，在偏振成像中也扮演著重要角色。

硫酸鎳晶體生長(zhǎng)過(guò)程的Mueller矩陣

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光的橫波性與偏振態(tài)

偏振:波振動(dòng)對(duì)傳播方向的非對(duì)稱(chēng)分布

偏振性:無(wú)論狹縫如何，縱波總能通過(guò)狹縫繼續(xù)向前傳播;而橫波只有在狹縫方位與振動(dòng)方向平行時(shí)，才能完全通過(guò)狹縫

即縱波不具有偏振性，橫波具有偏振性→區(qū)分橫、縱波的標(biāo)志

電磁波屬于橫波，根據(jù)光的電磁本性，所以光波是橫波，具有偏振性

振動(dòng)面:光矢量的傳播方向與振動(dòng)方向構(gòu)成的平面

偏振光的圖示:在光波傳播方向的軸線(xiàn)上用短線(xiàn)表示在振動(dòng)面(紙面)內(nèi)的光振動(dòng)，圓點(diǎn)表示垂直于振動(dòng)的光振動(dòng)，短線(xiàn)或原點(diǎn)數(shù)量與其振動(dòng)的強(qiáng)度正相關(guān)

光的五種偏振態(tài):

偏振光在

傳感器光學(xué)中的神奇應(yīng)用

一、 高精度電流測(cè)量

在電流傳感器中，偏振光技術(shù)展現(xiàn)了其獨(dú)特的魅力。通過(guò)激光光源產(chǎn)生固定振動(dòng)方向的偏振光，當(dāng)光線(xiàn)穿過(guò)被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，其偏振方向會(huì)發(fā)生微妙的變化。這一變化被精密的檢測(cè)器捕捉并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的高精度測(cè)量。這種技術(shù)不僅提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性，還增強(qiáng)了傳感器的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

那么，位移傳感器中偏振光的精度和可靠性提升是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

位移傳感器中偏振光的精度和可靠性提升主要通過(guò)以下幾種技術(shù)實(shí)現(xiàn)：

1、偏振調(diào)制技術(shù)：利用米勒矩陣對(duì)偏振光進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)起偏器、薩伐爾板、兩塊1/4波片、光彈調(diào)制器和檢偏器的組合，形成兩個(gè)錯(cuò)位的偏振方向正交的像光柵。這種技術(shù)可以有效消除光源光強(qiáng)波動(dòng)和電路增益變化引入的測(cè)量誤差，抑制雜散光和探測(cè)器噪聲的影響，從而提高測(cè)量精度。

2、DSP實(shí)現(xiàn)的偏振光直線(xiàn)位移傳感器：基于光的偏振特性、馬呂斯定理和法拉第旋光效應(yīng)，采用同光源雙光路檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了大量程直線(xiàn)位移的測(cè)量。這種方法通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)，提高了位移傳感器的精度和可靠性。

3、多方向偏振光實(shí)時(shí)定位技術(shù)：通過(guò)多方向陣列結(jié)構(gòu)中的偏振光導(dǎo)航傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)天空多個(gè)方向的偏振光信息，并進(jìn)行優(yōu)選和融合處理，計(jì)算得到更加可靠且準(zhǔn)確的位置信息。這種方法不僅提高了定位的精度，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

4、仿生偏振光導(dǎo)航傳感器設(shè)計(jì)：通過(guò)天空偏振光信息得到方向信息，并結(jié)合GPS接收器得到位置信息。采用小波去噪方法對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，用最小二乘法和最小二乘向量機(jī)法補(bǔ)償了傳感器固有誤差，顯著提高了傳感器的精度。

5、偏振分集技術(shù)：在光纖傳感器中應(yīng)用偏振分集技術(shù)，可以大大緩解偏振衰落問(wèn)題，通過(guò)相位載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定檢測(cè)，從而提高系統(tǒng)的精度和可靠性。

二、 視覺(jué)檢測(cè)與成像

在工業(yè)視覺(jué)檢測(cè)領(lǐng)域，偏振相機(jī)利用偏振光的特性，極大地提升了檢測(cè)的精度和效率。傳統(tǒng)相機(jī)在面對(duì)高反射或低對(duì)比度物體時(shí)往往力不從心，而偏振相機(jī)則能過(guò)濾掉不必要的反射光，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，使得劃痕、凹痕等微小缺陷無(wú)所遁形。

明治帶偏振光的智能讀碼器效果

此外，偏振相機(jī)還能通過(guò)偏振角度的著色，揭示出物體表面的應(yīng)力分布和材質(zhì)特性，為質(zhì)量控制和材料分析提供了有力工具。

三、應(yīng)力與形變檢測(cè)

在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域，偏振光技術(shù)被廣泛應(yīng)用于應(yīng)力與形變的檢測(cè)。當(dāng)偏振光穿過(guò)受應(yīng)力或形變的材料時(shí)，其偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量這種變化，可以準(zhǔn)確地評(píng)估材料的應(yīng)力分布和形變程度。這對(duì)于確保結(jié)構(gòu)安全、優(yōu)化材料設(shè)計(jì)具有重要意義。

四、通信與傳感技術(shù)

在通信領(lǐng)域，偏振光也被用作信息傳輸?shù)妮d體。通過(guò)調(diào)制偏振光的偏振狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，在光纖傳感技術(shù)中，偏振光被用來(lái)檢測(cè)光纖中的微小變化，如溫度、壓力等物理量的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

偏振光在傳感器光學(xué)中的應(yīng)用，不僅拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，還提升了傳感器的性能和精度。隨著科技的不斷發(fā)展，我們有理由相信偏振光技術(shù)將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨(dú)特的魅力和價(jià)值。讓我們共同期待這場(chǎng)由偏振光引領(lǐng)的光學(xué)革命帶來(lái)的無(wú)限可能！