偏光片知识讲座第三讲偏光元件原理.doc

文章编号：1006- 6268（2012）03- 0004- 08偏光片知识讲座第三讲偏光元件原理范志新（深圳市三利谱光电科技股份有限公司 ，广东深圳 518106；河北工业大学应用物理系 ，天津 300401）摘 要：全文详细综述偏光片的发明和应用、偏振光学基础、偏振元件原理、偏光片的结构、制造、性能、检测、实验、技术发展、产业现状、市场前景等系列知识，文章对于从事偏光片生产和应用工作的新成员 具有入门指导意义，对于偏光片研究者也具有一定的参考价值。关键词 ： 偏光片 ；偏振光学 ；原理；制造；检验中图分类号 ：TN949.199文献标识码 ：BA Course of Polarizer KnowledgePart Three The Principle of Polarizing DevicesFAN Zhi-xin(Shenzhen Sunnypol Optoelectronics Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518106, China; Department of Applied Physics, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)Abstract: This paper summarize the polarizer know ledge in detailed, include about of theinvention and application of polarizer, the basic of polarization optics, the principle of polarizing devices, the structure and manufacture of polarizer, the properties and examination of polarizer, and the technology development and market state of polarizer. It have a common direct sense for new recruits in polarizer industry and a refer value for polarizer research w orkers.Keywords: polarizer; polarization optics; principle; manufacture; examination1偏 光 定 律1.1马 吕 斯 定 律描述从偏光器件透射出来 的光强随起偏器和 检偏器的主截面之间夹角变化规律的经 验 定 律 ，光学定律有很多，我们仅介绍几个与偏光器件相 关 的 定 律 和公式 ，包括马吕斯定律 、布 儒 斯 特 定 律、菲涅耳公式等。即：I=I0cos2。两偏光片正交：I=I0cos2=I0cos2/2=0；插 进 一 偏 光 片 ：I=I0 cos22=I0 cos2/42=I01/22= I0/4；插 进 两 偏 光 片 ：I=I0 cos23=I0 cos2/63=I03/43=27I0/64=0.42I0；插 进 三 偏 光 片 ：I=I0 cos24=I0 cos2/84=0.53I0；插进 N（无穷多）偏光片：II0cos2/NN=I0。由此可以理解扭曲排列液晶盒旋光后光透过。P 分量强度反射 率 ：RP=rP ，S 分 量 强 度 反 射2率：RS=rS ；2P 分量振幅透射率 ，tP=APt/APi，S 分 量 振 幅 透 射率：tS=ASt/ASi；P 分量强度透射率：TP=tP ，S 分量强度透射率：2TS=tS 。2由 能 量 守 恒 、菲涅耳公式 ，按这组公式可以得 到光经过透明材料的反射率和透射率。tan（i - t）rP =tan（i + t）布 儒 斯 特 定 律一般情况下，光从空气入射到透明材料中，反 射光和折射光都是部分偏振光，反射光电矢量在垂直入射面方向相对强，折射光电矢量在平行入射面 方向相对强。当光以某特 定 角 度 B 入 射 ，满 足 公式：tanB=n，反射光和折射光互相垂直，反 射 光 偏振方向垂直入 射 面 ，为 S 光 ，反 射 光 中 没 有 P 光 分 量 。这 个 现 象 是 布 儒 斯 特 于 1815 年 发 现 的 ，称 为布儒斯特定律。布儒斯特定律是一些偏光元件的起偏原理。1.2rS= sin（t- ）i sin（i+ ）t2n1 cosit P = ncos +n cos2i12n1 cositt S =n cos +n cos1i2t在 布 儒 斯 特 角 B 处 ，i+ t=90 ，rP=0，RP=0。当光正入射时，i= t=0。= n2 - n1r =- rPSn +n212n11.3菲 涅 耳 公 式菲涅耳公式是一组描述反射光、折射光及入射t =t =PSn +n212RP =RS = !光振幅之间定量关系的公式，1823 年得到。用 ASi、APi、ASt 、APt 、ASr、APr 分别表示入射光 、折 射 光 、反 射 光的垂直入射面和平行入射面 的 振 幅 分 量 ，i 和 t 分别表示入射角和折射角，菲涅耳公式写成：n2 - n1n2 +n14n1 n2T =T =PS2!n2 +n1 2cost cosi1.5偏振光干涉公式 一个平行平面波片放 置在两枚起偏器 P 和 检APt = sin（ + ）cos（ - ）APittii2sint cosi偏器 A 之间，当波长为 单色线偏振光垂直入射到波片时，求通过检偏器 A 的干涉光强。厚度为 d 的 波片使 o 光和 e 光产生的光程差是=nd= (ne- no)d相位差是ASt =sin（ + ） Asiittan（i - t）AAPr = tan（ + ）Piitsin（i - t）ASr =-ASisin（ + ）it2!ne- no d=1.4反射率和透射率公式 当光束遇到两种折射率不同的介质界面时，为用 表 示 P 和 A 之间的夹角，用 表 示 波片光轴与 P 之间的夹角，干涉光强表达式是了说明反射和折射各占多少比例，引入反射率和透射率。光强经常理解为振幅的平方，以入射光强度 为 单 位 1，在没有光吸收损失的情况下 ，则 反 射 率 与透射率之和必然等于 1，几种反射率和透射率的 定义如下。P 分量振幅反射率 ：rP=APr/APi，S 分 量 振 幅 反 射 率：rS=ASr/ASi；I=I0 #$22 cos - sin2sin2（- ）sin2PA 时I=I0 #1- sin 2sin$2 22PA 时2 偏振光以 45角被反射，出射方向与 P 光成 902I=I0 sin 2sin2角。此偏振分光棱镜由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜 。2棱镜偏光元件起偏原理 偏振分光棱镜在新 型 微 投 影 LCOS 设 备 光 引 擎 上有特殊应用。2.1尼 科 耳 棱 镜尼科耳棱镜是利用光的全反射原 理 与 晶 体 的菲 涅 耳 菱 体菲涅耳菱体是一种产生圆偏振光或 椭 圆 偏 振 光 的 偏 光元件 ，用玻璃制造 ，线偏振光从菱体第一 端面垂直入射，使振动面与入射角成 45角，并 以5437 角入射到菱体斜面上 ，经过连续两次 全 内 反射，从菱体另一端出射的光是圆偏振光。当线偏振光振动面和入射面间夹胶不 是 45角 时 ， 透 射 光则是椭圆偏振光。反之，菲涅耳菱体也能使椭圆偏振光或圆偏振光变成线偏振光。2.5双折射现象制成的一种偏光元件。取一块长度约为宽 度 3 倍 的 方 解 石晶体 ，将两端切去一部分 ，使主 截面上的角度为 68。将晶体沿着垂直于主截面 及 两 端面切开 ，再用加拿大树胶粘合起来 ，加拿大 树脂胶折射率介于寻常光折射率 和非常光折射率 之间。前半个棱镜中的 o 光射到树胶层中产生全反射，最后从侧面出射；e 光不产生全反射，能 够 透 过 树胶层，最后从对面出射。所以自尼科耳棱镜出来的偏振光的振动面在棱镜的主截面（晶体光轴与折射光线构成的平面内）。尼科耳棱镜可用作起偏器， 也可用作检偏器。3多层膜偏光片起偏原理 由布儒斯特定律和菲涅尔反射和折 射 公 式 可知，反射和折射会改变入射光的偏振状态。入射光 是 自 然 光 ，反射和折射光都是部分偏振光 ；入射光 是 圆 偏 振光 ，反射和折射一般是椭圆偏振光 ；入射 2.2渥 拉 斯 顿 棱 镜渥拉斯顿棱镜是一种由两块直角 方 解 石 晶 体制成的双折射偏光元件，第一个棱镜的光轴与第二个棱镜的光轴垂直，又都与入射光垂直。入射一束 无 偏 光 束 ，在 第 一块棱镜中不偏转 ，但这时 o 光 和e 光的速度不同 ，达到第二块棱镜时 ，将被分成两 个偏振方向互相垂直的线偏振光束。两束光的分离 角相对光轴而言大致是对称的，遮掉其中一束，即得到一束很好的线偏振光。为了保护晶体和方便使用，方解石晶体被组装在一个表面作了黑色处理的 圆筒内。光是线偏振光，一般反射和折射光仍是线偏振光，但是偏振方向要改变，全反射时反射光一般是椭圆偏振光。玻 片 堆利用玻璃片就可以制作偏光元件，以布儒斯特 角入射时虽然反 射 光 是 S 线偏振光，但是反射光 改变了光线传播方向，而且反射率不高。利用多片玻 璃 叠 加在一起 ，称为玻片堆 ，自然光以布儒斯特 角入射，光线每遇到一个界面，约 15% 的 S 分量反射，P 分量 100% 透射。经过多次反射和折射，反射光都是 S 分量。透射光中 S 分量也可以忽略，几乎 就 都 是 P 分 量 线 偏 振 光 。反射型片光元件的优点 是 适 用 的波长范围较大 ，制作简单 ，几乎所有的透 光材料都可用来制作反射型偏光元件，因此这种偏 光元件在红外和紫外波段有其独特的优越性。3.12.3洛 匈 棱 镜洛匈棱镜也是一种由两块直角方 解 石 晶 体 制成的双折射偏光元件，第一个棱镜的光轴与第二个棱镜的光轴垂直，但与入射光平行。入射一束无偏 光 束 ， 在 第一块棱镜中不偏转，无 o 光 和 e 光 之分。达到第二块棱镜时，垂直第二块棱镜光轴的是o 光 ，无偏转的出射 ；平行的是 e 光 ，发 生 偏 折 出 射。遮掉其中一束，即得到一束很好的线偏振光。3.2多 层 膜 偏 光 片多层膜偏光片起偏原理与玻片堆相同，用高分2.4偏 振 分 光 棱 镜偏振分光棱镜（PBS）能把入射的非偏振光分成子塑料制造。玻片堆界面是玻璃和空气，折射率差0.5，比较大，而不同高分子塑料多层膜折射率差两束垂直的线偏振光，其中 P 偏光完全通过，而 S0.2 左右，比较小 ，要达到同样的起偏效果 ，需要比 玻片堆有更多的层数。但是高分子塑料膜每层厚度 仅在微米尺度，即使上百层也不 及一片玻璃的厚 度 ，因此多层膜偏光片是一种可以大面积化 、有 实 用 价 值的偏光片产品 ，而缺点是不能正面用 ，入射 光只能倾斜入射。但其缺点却又是个优点，可以采用多层膜偏光片作增亮膜。现有的吸收型偏光片， 即二向色性型偏光片，一半光透射，一半光被吸收，所以光损失太大。多层膜偏光片，一半光被透射，一半光被反射，反射光可以通过类似菲涅耳菱体或偏 振分光棱镜的光学功能膜转化偏振方向，重新反射回到多层膜偏光片透射出来，达到提高光源利用率的目的。而显示器背光源特殊设计的导光板结构提 供了使光束以布儒斯特角倾斜入射的条件。蚀出宽度和可见光波长相当的导线 ， 也 有 偏 振 作用。虽说当代半导体加工光刻技术已经可以精细到 紫外光波长尺度，但这样加工出的偏光片肯定贵为天价。4.2碘 系 偏 光 片金属线栅偏光片制造工艺复杂，价格昂贵，仅适用于长波。但人们由此得到了启发，高分子材料呈 长 链 结构 ，经过拉伸处理后 ，分子链可沿着拉伸 方向规则地排列起来，类似于金属丝导线。但需在 分子长链上吸附一些光活性较大的电子，以解决光活性问题。碘硫酸金鸡钠（herapathite）具有较强的二 向 色 性 ，最 初 的商业化偏光片就是美国 Polaroid公司创始人兰德用这种含碘针状晶粒制造的，这种制 造 原 理 从 1938 年 延续至今没有本质性的改变 。吸收型偏光片原理 4赛 璐 珞 是硝化纤维素 ，白色纤维状固体 ，硫酸碘奎 宁是无色针状用于预防和治疗多种疾病的药物。在 拉伸的塞璐珞基片上蒸镀一层硫酸 碘 奎 宁 针 状 晶粒 ，基 片的拉伸应力使晶粒整齐排列起来 ，这样就 能得到面积很大的偏光片。在聚乙烯软塑料膜上撒一滴碘酒，待碘酒侵润进薄膜之后把薄膜拉伸，制品就能粗糙地演示吸收型偏光片功能。现在实际生 产的碘系偏光片是把由聚乙烯醇制 成 的 薄 膜 在 碘溶 液 中 浸泡后 ，在一定温度下拉仲 ，然后进行处理 制成偏光片。经过拉伸后，含碘针状晶粒 - 聚乙烯 醇分子沿着拉伸方向规则地排列起来，形成一条条导电的长链。碘中具有导电能力的电子能够沿着长链 移 动 ，当光波照射到薄膜上时 ，光波中沿着长链 方向的光波电矢量振动被强烈吸收，而垂直于长链方 向 的 光波电矢量振动不被吸收 ，能够透过 ，这样 现在大量生产的偏光片是吸收型偏光片，包括金属偏光片、碘系偏光片、聚乙烯偏光片等。为便于 理解吸收型偏光片的工作原理，先从金属线栅偏光片讲起。4.1金属线栅偏光片 最简单的吸收型偏光片是平行金属导线栅，自然光可等效分为两个振动方向垂直、位相不相关的线偏振光叠加。采用某种方法，使其中一方向的振 动 被 吸收 ，而透过另一个方向的振动 ，就可以得到 线偏振光。最早用于长波的二向色性偏光片是用金 属丝做成的，即选择一种光活性较大的金属材料，做成很细的细丝，平行相间排列成光栅。金属中电子只能沿导线运动，当光照射在金属丝光栅上时， 光波电矢量在金属丝方向的振动 就会被金属丝中 的电子吸收，垂直金属丝方向的电矢量就能透过 。这样只有沿导线纵向的光子被吸收，而横向的光子 未被吸收，从而得到了线偏振光。这种金属线栅目前 仍 是红外偏光片器件 ，对于可见光 ，线栅间距要 和 可 见 光 波 长（400760nm）接 近 ，间 距 如 此 小 的 光栅制作较为困难 ，一种方式 是 真 空 蒸 发 Ag、Au、Pb、Cu、Al 等，原子束几乎 以 平 行 方 向 （入 射 角80）蒸镀到以硫化锌 或硒化锌为衬底的闪耀 光栅上，形成极细的金属导线或在衬底上形成一条条 方 向一致短线 ，可起到偏光片的作用 ；另一种方 式是用光刻的方法，在沉积有金属薄膜的衬底上刻透射光就成为线偏振光。用简化的物理模型理解，每个含碘针状晶粒就是一小段金属导线，晶粒间距在可见光波长范围，起到了金属线栅的起偏功能 。这种偏光片的优点是制造工艺简单，价格低廉，偏光片的面积可做得很大等。碘系偏光片是黑白偏光 片，带蓝色或棕色。染 料 偏 光 片染料偏光片也是现在大量生产的吸 收 型 偏 光 片 ，也是用碘系偏光片的 制 造 工 艺 ，浸 色 、拉 伸 、粘 合工艺同样适用于染料偏光片的制造。只不过这时用染料代替碘。某些含细长分子的染料也具有相当好的二向色性，掺杂聚乙烯醇共混体系在一定温度4.3下拉伸得到的薄膜就具有很高的各向异性，二向色性比大于 60% ，取向为拉伸方向，可以利 用 它 制 造 其他彩色偏光片 。如 用 直 接 桃 红 + 直 接 银 灰 = 制造红色偏光片；直接冻黄 + 直接红棕 制造黄色偏 光片 ；直接墨绿 制造绿色偏光片 ；直接 枣 红 制 造紫色偏光片。随着 LCD 产业的发展，单一色彩的偏光片已不能适应产品的需要，彩色偏光片的品种逐 渐增多。彩色偏光片的二向色性依赖于染料分子所固 有 的二向色性 ，而使膜具有偏光机能 ，用染料的 吸光特性而使其在使用中显出各种色彩。与含碘素 的 偏 光片相比 ，彩色膜的偏光性能差 ，二向色性常 数有时仅是碘系偏光片的一半 。对彩色偏光片而 言 ，染料的选择是非常重要的 ，作为二向色性染料 它 应 满足以下性能 ：有高的二向色性 、有 均 匀 的 染色 特 性 、可在水或溶剂中均匀分散 、优 良 的 耐 湿 热特 性 、对所要染色的聚合物有很强的亲和性 、在 加 热时色相不发生变化及染料升华等现象。作为二向色 性 染料有直接染料 、酸性染料和分散染料 ，如含 铜 、镍 、锌 、铁 络 合 物 偶氮系与直接染料并用 ，不但 对色相有修正作用，而且可以提高偏光片的耐湿热特性。从物理方面理解染料偏光片的工作原理，可以把某些高分子塑料当作各向异性导电介质，在拉 伸方向电导率比较大，看作是不连续的导电介质，在垂直拉伸方向电导率比较小， 看作是绝缘电介 质。色散射型偏光片，它对可见光波段 光 的 透 过 率 较高，特别适用于一些要求真实反映自然光的偏振仪器。在两块 ZK3 平玻璃片中抽真空并充入硝酸钠，ZK3 平玻璃片 折 射 率 n=1.5891， 硝 酸 钠 o 光 的 折射 率 no=1.5884，e 光 折 射 率 ne=1.3369，两 者 差 别 较大，e 光几乎全部被反射或散射，无法从晶体中 射出，故得到线偏振光。5.2聚合物加芯壳偏光片 聚合物中加入芯壳由不同材料组成的粒子，分散 并 经 热挤压成膜 ，再拉伸取向 ，使基体的折射率 和分散相粒子的 o 或 e 光 的 折 射 率（仅 其 中 之 一） 相配，而与另一折射率失配，可获得线性偏振光。如 在聚乙烯对苯二酸盐中加入橡胶态芯壳粒子（直径200nm ，芯 ：苯 乙 烯 2 丁 乙 烯 ，壳 ：PM M A，折 射 指数 1.530），拉伸比为 4、5 时，聚乙烯对苯二酸盐的o 光折射率逐渐下降到 1.53，e 光折射指数上升为 1.68，因而 e 光被颗粒散射，o 光则顺利透过。这种 偏光片的适用波长范围受掺杂粒子大小的影响，耐 湿热性能比碘素偏光片好得多。拉伸聚合物分散液晶偏光片 以液晶分子作为分散相粒子，基体 为 聚 乙 烯 醇，经拉伸取向也可制得散射型偏光片。聚合物单体与向列相液晶以不同浓度配比可 制 成 电 光 特 性5.3的散射型偏光片。把预聚合物和向列相液晶混合，活性不拉伸偏光片 活性不拉伸偏光片包括一层光活 性 分 子 层 和 一层与接触层形成的二向色性分子层，不用拉伸工序 便 可制造 ，可以制成具有复杂图像 、弯 曲 表 面 或大面积的偏光片。其方法是用线偏振光照射基材上 的光活性分子层，并对其电晕放电处理或紫外线辐照处理后形成二向色性分子层，利用该分子层所具有 的 光吸收各向异性 ，使透过光产生偏振 ，但膜层 机械性能较差，应用较少。4.4涂在聚乙烯醇薄膜之间用覆膜机挤压成膜，经过热聚合或紫外光引发聚合使之相分离，液晶形成微米 尺度大小的液晶微滴，聚合物把液 晶 微 滴 包 裹 起来 ，形成聚合物分散液 晶（PDLC），将 薄 膜 拉 伸 ，液晶微滴由圆球变成椭球，液晶分子在椭球长轴方向 择优取向，再经过热固化或紫外光固化把形变固化下来，最后把拉伸聚合物分散液晶膜覆盖上保护膜就制成散射偏光片，而如果把膜夹到透明导电胶片 或导电玻璃之间，就能制造出可电控调谐散射偏光片。没拉伸的聚合物分散液晶膜，液晶微滴即不是各向同性的普通液体，也不是各向 异 性 的 单 轴 晶 体，处于散射态。经过拉伸的聚合物分散液晶膜，液晶微滴有了大致取向，可以看作各向异性的单轴晶体，设计液晶寻常光折射率 no 与聚合物 折 射 率 np相等，沿拉伸方向液晶取向非常光折射 率 ne 与 np不 相 等 ，则拉伸方向的偏振光分量散射 ，垂直拉伸 方向的偏振光分量透射。施加电场液晶分子沿电场5散射偏光片原理 5.1玻璃夹硝酸钠偏光片 当光通过偏振物质时，物质中的电子在光波电磁 场 的作用下发生受迫振动 ，成为次波源 ，当微粒 的大小为透过光波长的 1/5 时，散射光的一部分为 偏振光。利用光的强烈散射或全反射原理可制造无方向垂面取向，失去双折射性，不再有散射，膜层变成没有散射偏光片功能的透明薄膜。到 波 片 时 ，其 振 动 分 解 成 o 光 分 量 和 e 光 分 量 ，两分量各有各的速度和折射率，最后出射光就有了光 程差和相位差。光学仪器上配备的波片通常是用石 英 和 云 母 制 作 ，石英是单轴晶体 ，切割成表面与晶体光轴平 行的平板就是波片。云母很容易按其天然解理面剥成 薄 片 ，它虽是双轴晶体 ，但两个光轴都差不多和 解理面平行，所以波片常用云母片来制造。有一种可调节相位延迟的波片，能够产生并也可以用来检验各种椭圆偏振光的偏振元件，叫 做 巴 比 涅（Babinet）补偿器 ，它是用两块劈形方解石或 石 英剪切聚合物分散液晶偏光片 用固化后有柔润性的预聚合物与 液 晶 及 衬 垫 料 混 合 ，灌注到两张玻璃片之间 ，经过热固化或者 紫 外 光固化 ，形成聚合物分散液晶夹胶玻璃 ，制品 外观是不透明的散射态毛玻璃，对前后两片玻璃反向或相向施加剪切或拉伸应力，也能使得液晶微滴由圆球形状变成斜长椭球形状，进而液晶分子有大 致 取 向 ，此刻制品变成半透明的状态 ，撤掉应力又 恢复到散射状态。这个制品即是一种散射偏光片，也是一种应变调光玻璃。5.4组成，用精密微调节螺丝改变斜劈重叠部分厚度，实现相位差连续调节变化，达到双折射干涉相位差补偿作用。定向电纺液晶偏光片 定向电纺技术是采用平行电极或 利 用 高 速 转 动的滚筒作为辅助力来收集获得 有序纤维的静电 纺丝技术，在组织工程、生物模拟、化学传感等方面具有潜在的应用前景，利用光敏混合液晶和有序纳 米纤维的耦合，可以制备出具有偏光特性的可调制光学材料。由于取向纤维对液晶分子取向的诱导作用，液晶分子沿长轴平行于纤维的伸展方向排列 。基于定向静电纺丝技术制备的高 取向性有序纤维 薄 膜 ，利用有序纤维对液晶分子取向的诱导 ，构成 可调制散射型偏光片。5.56.2补 偿 片波 片（或 者 叫 相位延迟 片）已经成为液晶显示 器的一个重要组成部分，特别是在高端液晶显示器中几乎必不可少 。它 已 经 不是通常意义的 1/4 波 片 、半 波片和全波片等 ，它已经包括比上述波片复 杂 得 多 的情况 ，不只是狭义的波片 ，而可能包括有 旋光性和导波性，人们把它叫做补偿片或补偿膜。加补偿膜是使用最早也是目前使用 最 广 泛 的 改 善 液晶显示器件视角的技术，之后发展的很多显示模式，例如多畴、平面控制、光学自补偿弯曲排列模式等，也必须配合相位补偿膜使用。在过去的几年里，LCD 产 业 中 膜 补 偿技术有了很大的发展，并有了 许 多 新 的设计思想 ，和偏光片一样 ，补偿膜己经成 为了 LCD 产业必需的商品。补偿膜分为单轴补偿膜和双轴补偿膜。单轴补偿膜是各向异性双折射膜，只有一个光轴。按照光 轴的方向，单轴膜可以 分 为 a 膜 和 c 膜 。a 膜 的 光轴平行于膜平面，而 c 膜的光轴垂直于膜平面。a膜和 c 膜都可以分为正膜和负膜，取决于非常光折6波 片 原 理波 片用双折射晶体除了可以制作偏光元件之外，另 一重要用途是制作波片。波片是从单轴晶体中切割 下来的平行平面板，其表面与晶体的光轴平行。当一束平行光正入射到波片时 ，分 解 成 o 光 和 e 光 ，波传播方向虽然不改变，但它们在波片中的折射率 不 同 ，设 波 片 厚 度 为 d，则 o 光 和 e 光 通 过 波 片 的光程差为：L=Le- Lo= (ne- no)d，两束光在出射界面 上 相 位 差 为 ：=2 (ne- no)d/。相位差与双折射 率 差 成正比 ，与波片厚度也成正比 ，适当选择波片 厚度可以使两束光之间产生任意 数值的相对相位 延迟。在无线电技术中起这种作用的器件叫相位延 迟器，所以波片也可以叫相位延迟片。折射光与光轴构成的平面叫主平面，o 光振动与主平面垂直，e光振动与主平面平行。沿任何方向振动的光正入射6.1射 率 ne 和寻常光折射率 no 的 差 值 。一 般 情 况 下 ，正单轴膜 neno，负单轴膜 neno。双轴膜有两个光轴和三个折射率，nxnynz，情况更复杂。单轴补 偿膜和向列相液晶都可以认为是单轴介质，当一束光在单轴介质中传播时，通常在介质中会形成两种特征光波 （寻常光和非常光），光通过单轴介质以 后，两个特征光波之间就会产生相位延迟量。在单膜 补 偿 LCD 中 ，应 用 a 膜 和 c 膜 ，c 膜 的 光 学 性 质相对于光轴是轴对称的。用 折射率椭球可以形象说明相位 补 偿 膜 的 工作 原 理 ，a 正性晶体的折射率椭球 ，倾 斜 入 射 光 线 的横截面呈椭圆形状，说 明该光线发生了双折 射 。椭圆的长短轴之差越大表示 双折射的程度越 大，越倾斜的光线双折射的程度 也 越 大 。表 示 在原来正性晶体的基础上叠加了一个负性晶体 ，两者综合的效果，折射率截面变得接近于圆形了， 这说明双折射程度变小了，从而 使得光线倾斜入 射时漏光减少，进而视角增大了 。使 用 位 相 补 偿膜来增大液晶器件的视角 是一种非常有效的方 式，无论补偿膜的参数如何设置 ，都无法得到一 个完美的圆形，也就是说无论两 种双折射晶体的 参数多么匹配，都不可能完全消 除液晶显示器倾 斜方向的双折射 。另外，液晶器 件本身的视角具 有复杂的不对称性，理论上来讲 补偿膜最好具有 与这种液晶的对称性相反的结构 。但 是 制 作 这 种 相位补偿膜，从生产工艺和成本 的角度上考虑都 是 很 难 的 。并且 ，相位补偿膜是固定的膜片 ，而液 晶盒却在不同的电压驱动下对应 着不同的指向矢 分布，液晶的双折射特性也不断 变化，若设计一 种动态的位相补偿膜，与液晶盒 保持同步的反分 布变化，则要求补偿膜成为另一 个液晶盒，这样 的 补 偿 膜 盒 将会使生产成本翻倍，不适于实 际生产，所以从实际考虑，补偿 膜不可能补偿液 晶盒在所有工作电压下的双折射性 。补 偿 膜 的 设 计还是用固定膜片，补偿某一液 晶分子排列状态 下的双折射，并且要找出 一个最优化的设计参 数，使得补偿后的总体效果最好 。一 般 人 们 总 是 针对暗态时液晶分子的排列状态进行膜补偿 ，尽力减小液晶盒暗态时的漏光，这 是提高对比度最 有 效 的 方 法 。相 位 差 会 引 起“漏 光 ”，假设偏光片是理想的， 理想暗态下，透过液晶盒的光理应是线偏振光，因此，对于理想的暗态，没有光线出射，光强 为 0。但 是 ，倾斜入射的光线由于双折射效应 ，光线在透过 液晶盒后会产生一个相位差。引入相位差 后，线偏振光就会变为椭圆偏振光，使暗态时的透光率不 再为 0，从而引起对比度下降。并且可以看到，随着相位差和偏光片方位角度的不同，透过的光强也不同，这说明了有效视角是不对称的。从以上分析可 以看出，通过补偿光倾斜入射时产生的相位差，就可以有效减小倾斜光线的漏光现象，这是选择和设计相位补偿膜的理论基础。采用补偿膜的扭曲液晶显示和采用 补 偿 膜 的垂直排列液晶显示，成为高端液晶显示器件的两个 重要模式。这两种方式采用的光学补偿膜都是双折射差为负的负性补偿膜，它们的非常光的折射率要 小于寻常光的折射率，通常的负性补偿膜是由盘状液晶分子或者聚酰亚胺组成，而聚 酰 亚 胺 有 黄 颜色，不如盘状液晶效果好。通常 1/4 波 片 只 对 一 个 波 长 是 对的 ，对其它波长就不成立了 ，而真正需要 的是一个在整个可见光波 长范围都相当于 1/4 波片，即宽带补偿膜。将几个波片叠加在一起，它们的光轴彼此相交一个角度，它们的相位延迟也不同，实际的光学补偿膜就是这样的一种结构。参 考 文 献1 傅思镜，全志义 . 二向色性与彩色偏振片 制 作 研 究 J.物理实验，1987 年 2 月，第 7 卷第 1 期，27- 28.2 刘 学 英 . 液 晶 显 示 装 置 用 偏 光 片 J. 化工新型材料， 1993 年第 7 期，1- 4.3 谢 书 伟 . 偏振片及其用途 J. 感 光 材 料 ，1997 年 第 2期，44- 46.4 邢 德 林 . 薄膜偏振片的制备和应用 J. 工 程 塑 科 应 用 ，1998 年第 2 期，30- 33.5 李 乐 ，李 建 峰 ，范 炳 生 ，蒋 英 渠 . 反射式胆甾相液晶偏 振片及其 应 用 J. 现代显示，总第 18 期 ，1998 年 第 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