2.1 偏振光的性质

LCD依赖于对光的偏振态的调控，要了解液晶的性质和LCD的原理，首先需要理解偏振光的基本原理。

2.1.1 光的横波特性

光是电磁波，也称为光波。电磁波是横波，即振动方向与传播方向垂直的波。作为对比，声波是纵波，振动方向与传播方向平行。光的电场、磁场方向相互垂直。平面光的电场矢量 E 和磁场矢量 B 均垂直于波矢方向（波阵面法线方向）。平面光是横波。光的横波特性如图2-2所示。

2.1.2 光的偏振特性

光的偏振特性是横波区别于纵波的一个最明显的标志。电场矢量 E 的振动方向被称为光的偏振态。 E 的振动方向相对于光的传播方向是不对称的。这种不对称性导致光的性质随光的振动方向的不同而发生变化。我们将这种不对称性称为光的偏振特性。

偏振光是指电场矢量的振动方向不变或有规则地变化的光，可分为平面偏振光（线偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光：线偏振光的电场矢量的振动方向在传播过程中只有一个方向；圆偏振光和椭圆偏振光的电场矢量随时间有规则地改变，即电场矢量末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形。图2-3展示了线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。如果电场矢量的振动在传播过程中只是在某一确定的方向上占有相对优势，则这种偏振光被称为部分偏振光。

2.1.3 偏振椭圆

光作为电磁波，在垂直于传播方向 z 上的任一电场矢量都可以分解为 x 和 y 方向上的两个正交矢量，光的偏振态或电场矢量可以用这两个正交矢量的和来表示。假设电磁波 E （ z ， t ）的 x 、 y 方向正交电场分量分别为

式中， E _{0 x} 和 E _{0 y} 分别为 x 、 y 方向正交电场分量的振幅； ω 为光的角频率； φ _x 和 φ _y 分别为 x 、 y 方向正交电场分量的初相位。偏振椭圆的方程为

式中， φ = φ _x -φ _y （初相位的相位差）。

图2-4（a）所示为电场矢量的空间合成，当只考虑单频光的情况时，如果正交电场分量的振幅差 E _{0 x} -E _{0 y} 、初相位的相位差 φ _x -φ _y 发生变化，都会影响在传播过程中合成的电场矢量的方向。

如图2-4（b）所示，当观察者正对光传播方向看向光源时，可以观察到由正交偏振态合成的电场矢量的顶点的轨迹会形成一个椭圆，即偏振椭圆。

如图2-5所示，当正交电场分量初相位的相位差 φ 为0时，偏振光为线偏振光；当相位差 φ 为 ± π/2时，偏振光为圆偏振光；当相位差 φ 为正时， E _y 领先于 E _x ，此时偏振光为右旋偏振光；当相位差 φ 为负时， E _y 落后于 E _x ，此时偏振光为左旋偏振光。

2.1.4 偏光片

偏光片或偏振片又称为起偏器、线偏振片、偏光膜、偏振膜等，可以过滤特定偏振方向的光，是能将自然光转换为偏振光的光学膜材。由于液晶显示器利用液晶材料对偏振光的可控调节来实现光的透过，因此偏光片是液晶显示器中不可少的光学元件。在液晶显示面板的结构中，偏光片通常贴附在上下玻璃基板的表面。

天然偏光片有电气石，如图2-6（a）所示。它能够强烈吸收某一方向振动的光，与之垂直方向振动的光则吸收很少，这种特性被称为二向色性（Dichroism）。因此，电气石在旋转时可以变色。用于液晶显示的偏光片通常利用碘分子或者具有二向色性的染料来吸收某一偏振态光并透过另一偏振态光而获得偏振光。

人造偏光片有多种。其中的一种制备方法是先用具有网状结构的高分子化合物聚乙烯醇（PVA）薄膜作为基片，再浸染具有强烈二向色性的碘，经硼酸水溶液还原稳定后，将其单向拉伸4～5倍，如图2-6（b）所示。拉伸后，碘分子整齐地排列在薄膜上，具有起偏或检偏性能。三醋酸纤维素（TAC）是保护PVA层的常见材料，其最重要的性能是光学性能，如高透过率、低散射率、各向同性的折射率等，同时还具有较高的强度、抗热敏感性。

偏光片在很多领域都有应用，在非显示屏（如偏光太阳镜）上，可以阻隔、反射刺眼眩光；电影院的3D眼镜大多利用两片偏光片，这两片偏光片呈90°。电影院的显示屏也发出两种方向的偏振光，利用左右镜片使双眼看到不同的画面，从而实现3D观影效果。

在显示屏上，偏光片也有重要的作用。LCD通常需要使用两片偏光片。如图2-7（a）所示，光从背光源发出，经过下偏光片、液晶和上偏光片。三者配合完成对光的偏振态的调控。

虽然OLED显示是一种主动发光技术，但由于OLED的衬底电极一般是金属的，屏幕以外的自然光照射到上面会发生反射，影响显示效果，因此，一般会在OLED的表面加上一片偏光片和一层1/4补偿膜阻隔环境光的反射，如图2-7（b）所示。

2.1.5 双折射效应与旋光现象

双折射效应是指当同一束入射光照射到各向异性晶体时，发生两个不同方向的折射的现象，如图2-8（a）所示，透过方解石能看到两条实线，双折射效应的实质是晶体各方向上的介电常数及折射率不同。

首先定义光轴，它是指晶体中存在一些特定的方向，沿此方向入射的自然光不会发生双折射效应。如图2-8（b）所示，偏振方向垂直于光轴的光称为寻常光（Ordinary Ray，o光），折射率为 n _o ；偏振方向平行于光轴的光称为非寻常光（Extraordinary Ray，e光），折射率为 n _e 。

如图2-9所示，对于光学正性晶体， n _o ＜ n _e ；对于光学负性晶体， n _o ＞ n _e 。多数液晶只有一个光轴方向，光在液晶中沿光轴方向传播时，不发生双折射效应。一般向列型液晶和近晶型液晶的光轴沿分子长轴方向，胆甾型液晶的光轴垂直于层面。

如图2-10（a）所示，旋光现象是指当单色线偏振光沿着光轴方向通过某些物质后，振动面会发生旋转。简而言之，就是光在穿过这些物质后，偏振方向会发生改变。

具有双折射性的材料有旋光性，常见的有石英，如图2-10（b）所示，硅氧四面体以共用氧原子的方式连接，并沿光轴方向盘旋延伸，形成螺旋结构（三方晶系）。这样的连接方式可以有两种不同的选择：一种是以顺时针方向盘旋而上；另一种是以逆时针方向盘旋而上。因此形成左旋石英和右旋石英，同时，旋光也分成左旋、右旋两种。

偏振面旋转的角度为

θ = α （λ ）d

式中， α （ λ ）为旋光率，与入射波长有关。若白光入射，则不同颜色（波长）偏振方向的旋转角度不同，该现象被称为旋光色散。如图2-11所示，利用这个特性可以确定分子的构型，如左旋、右旋。

螺旋状排列的液晶也有旋光现象。LCD的显示原理主要依赖于液晶的旋光现象。液晶的这种旋光现象在电场下会发生改变。后面小节将会详细介绍。 EQRihMejr//7Rfi1YSuENst9hc8U0hS98fV84EIMtjB/ZWzqAh8JbFDWOJtQENoz