液晶显示器偏光膜的基本原理

偏极光与偏光膜的基本原理
   
    大多数的人仍然对偏光膜这个名词感到陌生而不很清楚，故在此先对偏极光的现象及基本原理稍做说明。

偏极光

人类对光的了解依序可分成以下四个重要阶段：
1.十七世纪中，牛顿首先开始对光做有系统的研究，他发现到所谓的白光(White Light)是由所有的色光(Colored Light)混合而成。为了要解释这个现象，就有许多不同的理论衍生出来。
2.十九世纪初，杨氏(Thomas Young)利用波动理论成功的解释了大部分的光学现象如反射、折射和绕射等。
3.1873年，马克斯威尔发现光波是电磁波，其中它的电波和磁波是相依相存不能分开的，电场(E)、磁场(H)与电磁波进行的方向(k)这三者是呈相互垂直的关系。

图1

 
4.二十世纪初，爱因斯坦发现光的能量要用粒子学说才能解释，因而衍生出量子学。换言之，光同时具有波动及粒子两种特性。
    因为偏极光的理论是用波动学来解释的，所以往后的讨论都将光视为电磁波，并且为了简化易懂，我们只考虑其电场向量E。非偏极光的E可以用图2表示，图2中许多对称等长的辐射线表示E在E、H所组成的平面上振动，并且在各方向振动的机会均等。当E的分布不均时就称之为偏极化(Polarization)，如图3所示为部份偏极光，当E只在一个方向振动时则称之为线性偏极光(图4)。从向量的观点来看，当图2中各方向的向量投影到X和Y两个相互垂直的坐标轴上后，非偏极光可以分解为两条相垂直的线性偏极光(图5)。

图2：非偏极光
 

图3：部份偏极光

 
图4：线性偏极光
 

图5：相互垂直的线性偏极光

 

偏极光的制造

一般而言，制造偏极光的方法是由以下三个步骤：
1.制造普通非偏极光(图2)。
2.分解此非偏极光为两个相互垂直的线性偏极光(图5)。
3.舍弃一条偏极光，应用另一条偏极光(图4)。
能将非偏极光分解为两条偏极光，而舍弃其一的仪器称之为起偏器(Polarizer)，起偏器可以利用如吸收、反射、折射、绕射等光学效应来产生偏极光。

一般较常用的起偏器种类有以下数种：

(1) 反射型
当光线斜射入玻璃表面时，其反射光将被部分偏极化。利用多层玻璃的连续反射效果即可将非偏极光转为线性偏极光。

(2) 复屈折型
将两片方解石晶体接合，入射光线会被分解为两道偏极光，称为平常光与非常光。

(3) 二色性微晶型
将具有二色性的微小晶体有规则地吸附排列在透明的薄片上，这是人工第一次做出偏光膜的方法。

(4) 高分子二色性型
利用透光性良好的高分子薄膜，将膜内分子加以定向，再吸着具有二色性的物质，此为现今生产偏光膜最主要的方法。这类吸收式的起偏器都是以膜(Film)或是板(Plate or Sheet)的形式存在，因此，通常又称之为偏光膜(Polarizing Film)或偏光板(Polarizing Plate or Sheet)。英文上另外一个更通俗的称呼是Polarizing Filter。

偏光膜的起源

    偏光膜是由美国拍立得公司(Polaroid)创始人兰特(Edwin H. Land)于1938年所发明。六十年后的今天，虽然偏光膜在生产技巧和设备上有了许多的改进，但在制程的基本原理和使用的材料上仍和六十年前完全一样。因此，在说明偏光膜的制程原理之前，先简单的叙述一下兰特当时是在什么情况下得到灵感，相信这有助于全面了解偏光膜的制程。
兰特于1926年在哈佛大学念书时看了一篇由英国的一位医生Dr. Herapath在1852年发表的论文，内容提到Dr. Herapath的一位学生Mr. Phelps曾不小心把碘掉入the solution disulfate of quinine，他发现立即就有许多小的绿色晶体产生，Dr. Herapath于是将这些晶体放在显微镜下观察，发现如下图所示：当两片晶体相重迭时，其光的透过度会随晶体相交的角度而改变，当它们是相互垂直时，光则被完全吸收(图6)；相互平行时，光可完全透过(图7)。

图6：光被完全吸收
 

图7：光可完全透过
 

    这些碘化合物的晶体非常小，所以在实际应用上有了很大的限制，Dr. Herapath花了将近十年的时间来研究如何才能做出较大的偏光晶体，可是他并没有成功。因此，兰特认为这条路可能是不可行的，于是他采用了以下的方式：
●兰特把大颗粒晶体研磨(ball mill)成微小晶体，并使这些小晶体悬浮在液体中。
●将一塑料片放入上述的悬浮液中，然后再放入磁场或电场中定向。
●将此塑料片从悬浮液中取出，偏光晶体就会附盖在塑料片的表面上。
●将此塑料片留在磁场或电场中，干燥后就成为偏光膜。
    兰特的方法是将许多小的偏光晶体，有规则的排列好，这就相当于一个大的偏光晶体。他应用上述的方法，在1928年成功的做出了最早问世的偏光膜、J片。这种方法的缺点是费时、成本高和模糊不透明。但兰特已经发现了制造偏光膜的几个重要因素：(1)碘 (2)高分子 (3)定向(Orientation)。经过不断的研究改进，兰特终于在1938年发明了到现在还在沿用的制造方法，其基本原理将于下节中讨论。

偏光膜的工作原理

    时下最通用的偏光膜是兰特在1938年所发明的H片，其制法如下：首先把一张柔软富化学活性的透明塑料板(通常用PVA)浸渍在I2 / KI的水溶液中，几秒之内许多碘离子扩散渗入内层的PVA，微热后用人工或机械拉伸，直到数倍长度，PVA板变长同时也变得又窄又薄，PVA分子本来是任意角度无规则性分布的，受力拉伸后就逐渐一致地偏转于作用力的方向，附着在PVA上的碘离子也跟随着有方向性，形成了碘离子的长链。因为碘离子有很好的起偏性，它可以吸收平行于其排列方向的光束电场分量，只让垂直方向的光束电场分量通过，利用这样的原理就可制造偏光膜(如图8)。

图8

 
偏光膜的种类及发展

现今所使用偏光膜的种类
    偏光膜的应用范围很广，不但能使用在LCD做为偏光材料，亦可用于太阳眼镜、防眩护目镜、摄影器材之滤光镜、汽车头灯防眩处理及光量调整器，其它尚有偏光显微镜与特殊医疗用眼镜。为了满足轻量化及使用容易的要求，所以偏光膜的选择以高分子二色性型为主，这型起偏材料的种类有四：
(1) 金属偏光膜
将金、银、铁等金属盐吸附在高分子薄膜上，再加以还原，使棒状金属有起偏的能力，现在已不使用这种方法生产。
(2) 碘系偏光膜
PVA与碘分子所组成，为现今生产偏光膜最主要的方法。
(3) 染料系偏光膜
将具有二色性的有机染料吸着在PVA上，并加以延伸定向，使之具有偏旋光性能。
(4) 聚乙烯偏光膜
用酸为触媒，将PVA脱水，使PVA分子中含一定量乙烯结构，再加以延伸定向，使之具有偏旋光性能。

偏光膜的构造
    高分子膜在经过延伸之后，通常机械性质会降低，变得易碎裂。所以在偏光基体(PVA)延伸完后，要在两侧贴上三醋酸纤维(TAC)所组成的透明基板，一方面可做保护，一方面则可防止膜的回缩。此外，在基板外层可再加一层离型膜及保护膜，以方便与液晶槽贴合