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宮崎大輔 池内研 D1

偏光. 宮崎大輔 池内研 D1. 発表の流れ. 偏光 (26 枚 ) PLZT 偏光板 (18 枚 ) 偏光を利用した形状計測 (34 枚 ). 表紙とこのページを入れて全部で 80 枚. 偏光. 偏光とは？. 光は電磁波である⇒振動する 振動にかたよりのある光＝偏光. 偏光の図示. 非偏光と部分偏光. 非偏光＝かたよっていない光 部分偏光＝完全偏光と完全非偏光の中間 偏光度＝偏光している度合い. ポアンカレの球. 赤道上に直線偏光、両極に円偏光、それ以外の球面が楕円偏光、球の内部は部分偏光. ストークスベクトル. ４次元ベクトルで偏光の状態を表す

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Presentation Transcript

  1. 偏光 宮崎大輔 池内研D1

  2. 発表の流れ • 偏光(26枚) • PLZT偏光板(18枚) • 偏光を利用した形状計測(34枚) 表紙とこのページを入れて全部で80枚

  3. 偏光

  4. 偏光とは？ • 光は電磁波である⇒振動する • 振動にかたよりのある光＝偏光

  5. 偏光の図示

  6. 非偏光と部分偏光 • 非偏光＝かたよっていない光 • 部分偏光＝完全偏光と完全非偏光の中間 • 偏光度＝偏光している度合い

  7. ポアンカレの球 • 赤道上に直線偏光、両極に円偏光、それ以外の球面が楕円偏光、球の内部は部分偏光

  8. ストークスベクトル • ４次元ベクトルで偏光の状態を表す • 光の強さ • 水平直線偏光の強さ • 45°直線偏光の強さ • 右円偏光の強さ

  9. ストークスベクトルの例

  10. ミュラー計算 • 4x4行列で光学素子の性質をあらわす • ストークスベクトルsにミュラー行列Mをかけるs’=Msこれは、sという光がMという光学素子を通過するとs’という光になることを表している • 例： 水平偏光 水平偏光板 非偏光

  11. ミュラー行列の例 • ※光学素子を何枚も重ねた場合は、それぞれのミュラー行列をかけたものが全体のミュラー行列になる

  12. ワイヤグリッド型 ヨウ素型 偏光板の構造

  13. ½波長板 ¼波長板 波長板

  14. 液晶

  15. 表面法線 反射光 入射角 反射角 入射光 θ θ 空気 物体 透過光 物体表面での反射１ • 物体を反射した光は部分偏光する

  16. 表面法線 入射光 反射光 Ipi Ipr 入射面 媒質１ Isr Isi θ1 θ1 θ2 Ipt 媒質２ Ist 界面 透過光 物体表面での反射２

  17. θ1 θ1 こっちよりこっちの方が大きい i.e.偏光している 入射角 反射角 s成分 p成分 空気 入射光 反射光 物体 透過光 透過角 θ2 物体表面での反射３ • 物体を反射・透過した光は部分偏光する p成分:入射面に平行な方向 s成分:入射面に垂直な方向 (境界面に平行な方向) (いずれも光の進む方向に垂直)

  18. 強度反射率・透過率 反射光（透過光）の強度 = 入射光の強度 • p成分、s成分それぞれの強度反射率をRp、Rs，強度透過率をTp,Tsとする 1 反射率・透過率 0 90° Rp=0となる角度をブリュースタ角という θB 入射角θ1

  19. 明 偏光板 偏光板 暗 偏光板 偏光板 偏光の応用：明るさの調節 • 列車の窓やサングラス

  20. 見えない 見える 見える 偏光板 偏光板 偏光の応用：光ロック・システム • 見える部屋と見えない部屋

  21. 偏光の応用：ヘッドライト • 相手のライトの眩しい光をさえぎる • 路面では偏光が解消されるので見られる

  22. 反射光 透過光 空気 反射光 物体 透過光 見やすくなる 偏光の応用：鏡面反射除去 • 釣りやスキーなどの偏光眼鏡

  23. 反射光 空気 物体 偏光の応用：鏡面反射防止 • 写真スタジオ、検査室、外科手術、画廊

  24. 太陽 空（水滴など） 鏡面反射 雲 部分偏光 空の光 非偏光 雲の光 見やすくなる 偏光板 偏光の応用：雲のコントラスト • 空を青くし、雲を（相対的に）明るくする

  25. 偏光の応用：垂直反射光を弱める • オプティカル・アイソレーター • レーザー光の厄介な現象を避けるため

  26. 偏光の応用：立体映像 • 左目用の映像を左目で見て、右目用の映像を右目で見る

  27. k1 k1×k’1 ほぼ1 白 k2×k’2 ほぼ0 k2 k1 k1×k’2 ほぼk’2 赤 k2 k2×k’1 ほぼ0 無色偏光板 有色偏光板 1 1 k1 k’1 透過率 透過率 k2 k’2 0 0 G R G R B B 偏光の応用：分光エネルギー分布 • 偏光板の組み合わせで好きな色を作れる

  28. 空（水滴など） 太陽 雲が太陽を隠したデータ欠落部分 鏡面反射 部分偏光 偏光の優勢方向をニードルで表した図 ここに太陽が存在する事が分かる 偏光の応用：天空羅針盤 • 南極や北極、昼間、太陽が隠れている状況 • 太陽の方向が分かる＋時刻→北を推定 • ハチ、アリ、かぶとがに、ミジンコ、など

  29. PLZT偏光板

  30. PLZTとは？ • lanthanum-modified lead zirconate titanate • 電圧に応じて複屈折性を示す • 透明なセラミックス • 原料は４種の金属化合物Pb鉛leadLaランタンlanthanumZrジルコニウムzirconiumTiチタンtitanium

  31. PLZTの製法

  32. PLZTの応用：光スイッチ

  33. PLZTの応用：光プリンタ

  34. PLZTの応用：光の防止

  35. PLZTの応用：立体映像

  36. PLZTの応用：メモリ

  37. PLZTの性能 • PLZT素子の最大の特徴は液晶よりも応答速度が速い事である ※液晶にはこの他、DS型、ECB型、GH型、PC型などがある

  38. 液晶偏光カメラの研究 • 偏光板を手動で回して計測するのは面倒 • 機械駆動式でも歪みが生じるうえ、リアルタイム化も難しい • 液晶を使って、電圧で制御できる装置の開発が進められている C.K.Harnett,H.G.Craighead,Liquid-crystal micropolarizer array for polarization-difference imaging,Applied Optics,41(7),2002.3 H.Fujikake,K.Takizawa,T.Aida,H.Kikuchi,T.Fujii,M.Kawakita,Electrically-Controllable Liquid Crystal Polarizing Filter for Eliminating Reflected Light, Optical Review,5(2),1998

  39. Wolffの液晶偏光カメラ L.B.Wolff,T.A.Mancini,P.Pouliquen,A.G.Andreou,Liquid Crystal Polarization Camera,IEEE Trans. Robotics and Automation,13(2),1997.4 • TN型液晶の旋光性を利用して電圧によって光を回転させ、直線偏光板で観測を行う

  40. PLZT偏光カメラ • PLZT偏光カメラを開発した人はまだいない • Marom(1997)という人がFLC(ferroelectric liquid crystal強誘電体)型の液晶を使って光ネットワークを構築したが、今後、FLCの代わりにPLZTを使う予定らしい。 • D. M. Marom, P. Shames, F. Xu, R. R. Rao, and Y. Fainman. Compact free-spacemultistage interconnection network demonstration. In Optics in Computing,volume 8 of OSA Technical Digest Series, pages 192-194, Washington, DC,March 1997. • The polarization rotation is done by a FLC array from DisplayTech. The reconfiguration of the network is currently limited by the speed of the FLC device. However, we are developing a PLZT based polarization rotator array which has much faster response times [9].

  41. 我々のPLZT偏光カメラの概観

  42. 構成

  43. 計測手順 • ND(Neutral Density)フィルタで１枚撮影 • 直線偏光フィルムで３枚撮影 • PLZTに電圧をかけない状態で撮影 • PLZTに電圧を82.5Vかけて撮影 • PLZTに電圧を112Vかけて撮影 PLZTに電圧を82.5VかけるとPLZTが1/4波長板と同じ動作をする PLZTに電圧を112VかけるとPLZTが1/2波長板と同じ動作をする NDフィルタの透過率は偏光フィルムの平均の透過率と同じに設定

  44. 計算方法 • 得られた４つの連立方程式を解けば良い

  45. 研究に必要な値の計算 • 形状を計測したい場合 • 偏光方向 • 偏光度 • 偏光を当てて反射成分を分離したい場合 • 鏡面反射成分 • 拡散反射成分 NDフィルタ

  46. 機能 • カメラの撮影画像、ヒストグラム→明るさ調節 • 撮影データの閲覧、計算結果の保存 • ポアンカレ球での表示機能付き • ストークスパラメータ全てを求める

  47. 偏光を利用した形状計測

  48. （ 東京国立博物館蔵 ） （ 奈良国立博物館・正倉院蔵 ） （ 東京国立博物館蔵 ） 透明物体の計測 • 簡便で安価でどんな透明物体でも計測できる手法は確立されていない

  49. アクリル製の透明物体 コンピュータデータ 研究の概要 • 透明物体の表面形状を計測 • より簡便で安価な計測システム • 偏光解析を用いる

  50. 関連研究(光計測)

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