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液晶显示器偏光膜的基本原理
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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。


图2:非偏极光 图3:部份偏极光

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)。


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:当两片晶体相重叠时,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)。

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。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (10/13/2005)
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