红外偏振成像原理与技术

（1）斯托克司表示法
人眼无法直接观察到偏振光，需要将偏振光以某种形式显示出来，以 便识别与处理。斯托克司（Stokes）表示法是目前常用的描述方法。 斯托克司指出，一束光的偏振状态可由四个参数 I，Q，U，V完全表示
用 0、90、 45、- 45 方向上线
偏振光表示参数：
线偏振度和偏振角计算：
I I0 I90 I45 I45 Ii Ir
❖ 由于自然光中的各矢量没有固定的位相关系，因此方向 不同两个的电矢量无法样合成一个单独的矢量，但在数 学上可以用两个振幅相等的非相干的波表示，通常用两 个正交的线偏振光来表示自然光。
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（５）部分偏振光
❖ 在普遍情况中，电矢量变化的方式既不是完全规则的，也 不是完全无规则的，这种光称为部分偏振光。描述这种性 质的波，一个最有效的方法是把它看成一定比例的自然光
红外物理与技术
第9章 红外偏振成像原理与技术
教学要求
❖ （1）深入理解光的偏振基本概念，熟悉不同偏振光的 基本特点，了解它们之间的区别。
❖ （2）掌握红外偏振的成像原理，成像方式，掌握不同 类型目标的红外偏振特性。
❖ （3）通过所列举的红外偏振成像与光强成像的图像分 析结果更深刻地理解红外偏振成像特点。
❖ 在光波的电偶极子辐射模型中，偶极子振荡产生的电磁波， 因为电场波在包含偶极子的平面内振动，所以每个偶极子发
出的光都是偏振光。设单个偶极子在 x-y平面内振动，光波
沿 z 轴传播，则电场波在某一点处为：
Ex Ax cost kz Ey Ay cost kz
E 0
❖ 振动面与 x 轴的夹角为
Ay Ax
Ex
❖ 合成的电矢量也是直线振动，有二次表达式可知，当 sin 0
时，为右旋椭圆偏振光；当 sin 0 时，为左旋椭圆偏振光。
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（３）圆偏振光
❖
在椭圆偏振光中，令
Ax
Ay
且
m
2
m
1,2...偏振
光就成为圆偏振光。因此圆偏振光的表达式为：
E
x
E y
Ax Ay
cos
cos
和偏振光叠加的结果，常用偏振度 P 来表示。
P Ip Ip I总 IP Iu
❖ I p 是完全偏振光的强度
❖ Iu 是自然光的强度
❖ I pIu 是部分偏振光的总强度
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9.2 红外偏振成像原理
9.2.1
偏振光的产生
偏振光的描述
9.2.2
9.2.3
红外偏振成像方式
9.2.1偏振光的产生
Ei
π 2
当 π 2mπ，m 0，1， 2，
2
Ex Ey 时为右旋圆偏振光。
当 π 2mπ，m 0，1， 2，
2
Ex Ey 时为左旋圆偏振光。
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（４）自然光
❖ 由于光波的传播方向具有对称且均匀分布的特性，所以 在光波传播的垂直方向平面上又同时具有时间和空间分 布的均匀性，若任一方向的电矢量E均可分为平行与垂 直两个方向的分量，而且电矢量的时间平均值相等，这 种光就是自然光，也称它为非偏振光。自然光可以用强 度相等，振动方向互相垂直的两个平面偏振光来表示。
tan E y Ay
Ex Ax
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（2）椭圆偏振光
❖ 平面电磁波是横波，其电场和磁场彼此正交。因此当光沿z方 向传输时，电场只有x和y方向的分量。分量表示形式为：
EExy
Ax Ay
cos
cos
x
y
Ez 0
❖ 如果把合成波的振幅用一端固定在原点的矢量E来表示
Ex
Ax Ey
Ay
cos cos
Q I0 I90 U I 45 I 45
V Ii Ir
Q2 U 2
P
1 2
tan
I
1
U Q
（2）密勒矩阵表示法
对于线偏振器，当起偏器的透光轴与x轴成 角时，起偏器的密勒矩
阵为:
1
c os
sin 2 0
M
1 2
c os 2 sin 2
cos2 2 cos2 sin 2
sin 2 cos2 sin 2 2
0 0
0
0
0
0
对于波片，若波片的快轴与x成 角，其位相延迟为 ，则相应的密 勒矩阵为：
1
M ,
0 0
0
0 cos2 2 sin 2 cos
sin 2 cos2 1 cos
sin 2 sin
0
sin 2 cos2 1 cos
cos x cos y
sin sin
sin x sin y
❖ 求得 cos 、 sin ,然后取它们的平方和可得：
Ex Ax
2
Ey Ay
2
2
Ex Ax
Ey Ay
cos
sin2
❖ 当 0或 2π 的整数倍时
Ey
Ax Ay
Ex
❖ 合成的电矢量是直线振动，当 的奇数倍时
Ey
lki
Er
1 1
lkr
2
l Et kt
入射光：
Ei
E ei i(it kilki .r )
0
反射光： Er
E er i(it kilkr .r )
0
折射光：
Et
E et i(it kilkt .r )
0
式中，lx lx cos ly cos lz cos 是波面的法向单位向 量。
（1）反射及折射产生的偏振光
反射光和折射光的偏振态有以下三种情况：
在正入射和掠入射
1
时，反射光和折射
光都仍是自然光。
2
3
一般情况入射时， 反射和折射均为部
分偏振光。
以布儒斯特角入射时， 反射光是线偏振光，振 动方向与入射面垂直， 折射光则为部分偏振光 ，但这时偏振度最高。
（2）热辐射产生的偏振光
当目标的红外辐射入射到一个表面时，将会发生三种不同的变化，其 中一部分能量被物体吸收，另一部分能量从物体表面反射，还有一部 分能量透射过物体。
热辐射的两个正交的偏振分量在两个不同介质表面发生反射时，由于 其反射率不同，造成了反射辐射中两个偏振量的比例分布不平衡，从 而引起了反射辐射的部分偏振性。
根据基尔霍夫定律，物体的辐射率与其反射率有密切的关系，反射率 不同可以引起反射辐射中偏振量的不平衡，从而红外热辐射产生了偏 振效应。
热辐射
9.2.2偏振光的描述
主要内容
9.1 光的偏振 9.2 红外偏振成像原理 9.3 目标与背景的红外偏振特性 9.4 红外偏振成像与光强成像的对比
9.1 光的偏振
电磁波在一定的平面内边振动边向前传播，这种 波一般叫做偏振波，在光的情况下叫做“偏振 光”。
椭圆偏振光 自然光
线偏振光
部分 偏振光
圆偏振光
（1）线偏振光
❖ 定义：光矢量的方向不变，其大小随相位变换的光。