神奇的偏光片

知識 03-19

神奇的偏光片

在現代生活中，人們每天都花了大量時間把眼睛盯在手機、電腦和電視屏幕上，稍有常識的人都知道，那主要都是些液晶顯示器，更有好奇心的人會懂得，液晶顯示器上離不開偏光片。

神奇的偏光片

簡易偏光片製作演示

如果手裡有條聚乙烯醇無色透明薄膜，有瓶碘酒溶液，那麼把這條薄膜浸泡到碘酒溶液中，數分鐘後取出來，薄膜被染成深藍紫色。雙手抓住這條薄膜兩端，用力把它拉長几倍，這條薄膜顏色可能從深藍紫色變淡青紫色了。

拿剪刀把薄膜從中一分為二裁開，當把兩條薄膜平行疊起來看時，它是半透明的。可是當轉動一條薄膜使之與另一條薄膜十字交叉時，奇蹟出現了，中間重疊部位，居然是漆黑不透明的了，這條淡青紫色薄膜就是神奇的偏光片了。

這個情景在十幾年前的中國光學光電子行業協會液晶分會的某次年會上出現過，是幾位偏光片供應商上台表演的。偏光片作為偏振光學元件，具有柔性輕薄，面積不限，從早期立體電影開始讓大眾通過偏光眼鏡知道了偏光片，到現在它是液晶顯示器主要組成部件，隨著液晶顯示器的廣泛應用，偏光片也正被更大量製造生產著。沒有偏光片，也就沒有立體電影，也就沒有液晶顯示器，人們的日常生活將倒退回六十多年前和三十多年前的偏光片和液晶顯示器沒有被廣泛應用那個年代的景象。

偏光片的發明

偏光片誕生在美國，是埃德溫. 赫伯特. 蘭德（Edwin Herbert Land, 1909～1991）發明的。

蘭德是20世紀偉大的科學家和多產的發明家，也是成功的企業家和精明的商人，他的發明專利有535項之多，是知名度僅次於最偉大的發明家愛迪生的發明家，是被喬布斯所崇拜的精神導師。偏光片被發明的起因是蘭德要解決晚上駕車安全問題，歷史故事是這樣講的。

傳說蘭德從小就喜歡讀光學書，早就知道光的偏振性，他13歲那年參加夏令營活動就看到過方解石雙折射現象，並與人討論要解決晚上汽車燈晃眼導致交通不安全問題。

直到1926年他17歲時就讀於哈佛大學物理系一年級，那時候還沒有大面積廉價的偏振光起偏器件，於是蘭德打定主意要發明這種實用的大面積偏光片。

為了發明製造偏光片，蘭德決定休學，專心致志做實驗。蘭德在紐約公立圖書館開始了他的偏振光學和化學研究工作，他發現哥倫比亞大學的實驗室晚上經常不關窗子，他就爬進去做實驗。

蘭德看了一篇由英國的一位醫生赫拉帕斯（William B. Herapath）在1852年發表的論文，內容提到赫拉帕斯的一位學生曾不小心把碘掉入奎寧的硫酸溶液中，發現立即就有許多小的綠色晶體產生，赫拉帕斯於是將這些晶體放在顯微鏡下觀察，發現當兩片晶體相重疊時，其光的透過率會隨晶體相交的角度而改變，當它們是相互垂直時，光被完全吸收；相互平行時，光可完全透過。

這種晶體就是碘硫酸奎寧，又叫碘硫酸金雞納鹼。硫酸奎寧本品系金雞納樹皮中的一種生物鹼。

赫拉帕斯花了將近十年的時間來研究怎樣才能做出較大的偏光晶體，也沒有獲得成功。蘭德重複過赫拉帕斯的實驗後確定這條路是不可行的，他採用了不同的方式：把大顆粒碘硫酸奎寧晶體研磨成微小晶體，並把這些小晶體粉末懸浮在液體中；把一塑料片放入這種懸浮液中，之後再放入磁場或電場中定向排列這些小晶體；把這個塑料片從懸浮液里撈出，偏光晶體就會定向粘附在塑料片的表面上，乾燥後就製作成了偏光片。

這個方法是將許多小的偏光微晶有規則的排列好，也就相當於一個大的偏光晶體。蘭德採用這個方法，在1928年他19歲時成功的做出了最先問世的J型偏光片。

須知研磨的碘硫酸奎寧針狀晶體粉末尺寸還嫌太大，超過光波波長，製品就模糊不透明。而且這種方法的缺點還費時，成本又高，但蘭德已經發現了製造偏光片的幾個重要因素：碘+聚合物+定向。

經過不斷的研究改進，蘭德終於在1938年發明了到現在還在沿用的H型偏光片製造方法。蘭德製作這種偏光片的方法是把聚乙烯醇（PVA）薄膜在水蒸氣浴中均勻加熱並拉伸，使那些無序的相互糾合在一起的長鏈分子在沿同一方向拉伸過程中排列整齊。之後在含碘溶液中浸泡經過拉伸的PVA薄膜，使碘分子嵌入到已被拉直的分子上去，形成一條條的碘分子鏈，經晾乾便成為性能優良的H型人造偏光片。

偏光片製造技術中，先拉伸後染色是所謂的干法工藝，先染色後拉伸是所謂的濕法工藝。

神奇的偏光片

埃德溫. 赫伯特. 蘭德（Edwin Herbert Land, 1909～1991）

蘭德為了搞偏光片的發明兩度從哈佛大學退學，雖然後來獲得了很多大學的名譽學位，但最初並沒有拿到一張哈佛大學的畢業文憑。

偏光片的應用

液晶顯示器

液晶顯示器包括手機、電腦、電視等。主流液晶顯示技術都離不開偏光片，多數液晶顯示模式需要兩枚偏光片，這兩枚偏光片可以正交（TN-LCD常白），平行（TN-LCD常黑），或者是某個角度（高扭曲向列相液晶顯示器HTN-LCD，超扭曲向列相液晶顯示器STN-LCD）。也有的液晶顯示模式只需要一枚偏光片，如賓主效應型顯示，染料液晶盒自身也相當於一枚偏光片；再如某種反射顯示模式，一枚偏光片和一枚反射片組合，液晶盒起到旋光或者波片作用。當然還有非主流的液晶顯示模式不需要偏光片，如動態散射顯示（DS-LCD），反射式膽甾相液晶雙穩態顯示和聚合物分散液晶（PDLC）顯示等。

液晶光閥

不是用於顯示信息，也有很多種液晶電光器件，如液晶光閥、液晶透鏡、液晶濾光片、液晶光柵、液晶感測器等。液晶光閥包括液晶電焊面罩，液晶調光眼鏡，液晶光學快門等。液晶顯示器有大量像素，而每個像素都是一個液晶光閥。凡是應用液晶雙折射原理製造的電光器件，幾乎都要用到偏光片。

偏光眼鏡

偏光眼鏡有多種產品和用途，有觀看三維（3D）立體電影的3D眼鏡，有司機夜間駕駛會車用防強光液晶調光眼鏡，有大眾用防眩光太陽鏡等。

偏光顯微鏡

很多種光學儀器早在液晶顯示器風靡之前就開始用偏光片，如圖1-15所示偏光顯微鏡等。但是光學儀器用偏光片可以價格昂貴，在沒有膠片式的偏光片之前，使用的是電氣石和尼科耳稜鏡這樣的偏光元件，有了現代的偏光片之後，都改用了把偏光片夾在薄玻璃片之間的起偏器和檢偏器。電氣石晶系屬於三方/六方晶系，選擇六角形片狀天然電氣石晶體容易加工成偏光片。這些晶體都是早期用於製作偏光元件和相位補償元件的材料，但是都不容易大面積薄膜化，不適合平板顯示技術的需求。現在有了聚合物基的偏光片、補償片，價格便宜、面積大、使用方便，晶體偏光元件幾乎都成了「收藏品」，只在不可被聚合物基偏光片替代的特殊技術領域還能得到應用，如特殊光波段，強激光，高溫極端環境等。

偏光攝影鏡頭

攝影鏡頭偏光濾光片是專業攝影工作者的法寶，是在照相機、攝影機等的鏡頭前面加一偏光片，就可以大大減輕強烈的直接反射光的干擾，減低天空背景光的強度，增加天空雲彩的層次等。

其他應用

光測彈性術用於物質結構中的應力分析，各向同性的物質由於受到應力的作用會產生各向異性的光學性質，稱之謂光彈性效應或應力雙折射效應。把受到應力的透明物體放在兩片偏光片之間進行觀察，就可以看到一些寬窄疏密不同，明暗相間的曲線條紋，分析研究這些條紋可以得出物體內應力分布的定量數據，這在科學研究，工程建設和工業生產中都是很有用的。

本文摘編自范志新主編《偏光片製造技術》（責編：裴育）第1章，內容有刪減。

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