神奇的偏光片

神奇的偏光片

在现代生活中，人们每天都花了大量时间把眼睛盯在手机、电脑和电视屏幕上，稍有常识的人都知道，那主要都是些液晶显示器，更有好奇心的人会懂得，液晶显示器上离不开偏光片。

简易偏光片制作演示

如果手里有条聚乙烯醇无色透明薄膜，有瓶碘酒溶液，那么把这条薄膜浸泡到碘酒溶液中，数分钟后取出来，薄膜被染成深蓝紫色。双手抓住这条薄膜两端，用力把它拉长几倍，这条薄膜颜色可能从深蓝紫色变淡青紫色了。

拿剪刀把薄膜从中一分为二裁开，当把两条薄膜平行叠起来看时，它是半透明的。可是当转动一条薄膜使之与另一条薄膜十字交叉时，奇迹出现了，中间重叠部位，居然是漆黑不透明的了，这条淡青紫色薄膜就是神奇的偏光片了。

这个情景在十几年前的中国光学光电子行业协会液晶分会的某次年会上出现过，是几位偏光片供应商上台表演的。偏光片作为偏振光学元件，具有柔性轻薄，面积不限，从早期立体电影开始让大众通过偏光眼镜知道了偏光片，到现在它是液晶显示器主要组成部件，随着液晶显示器的广泛应用，偏光片也正被更大量制造生产着。没有偏光片，也就没有立体电影，也就没有液晶显示器，人们的日常生活将倒退回六十多年前和三十多年前的偏光片和液晶显示器没有被广泛应用那个年代的景象。

偏光片的发明

偏光片诞生在美国，是埃德温. 赫伯特. 兰德（Edwin Herbert Land, 1909～1991）发明的。

兰德是20世纪伟大的科学家和多产的发明家，也是成功的企业家和精明的商人，他的发明专利有535项之多，是知名度仅次于最伟大的发明家爱迪生的发明家，是被乔布斯所崇拜的精神导师。偏光片被发明的起因是兰德要解决晚上驾车安全问题，历史故事是这样讲的。

传说兰德从小就喜欢读光学书，早就知道光的偏振性，他13岁那年参加夏令营活动就看到过方解石双折射现象，并与人讨论要解决晚上汽车灯晃眼导致交通不安全问题。

直到1926年他17岁时就读于哈佛大学物理系一年级，那时候还没有大面积廉价的偏振光起偏器件，于是兰德打定主意要发明这种实用的大面积偏光片。

为了发明制造偏光片，兰德决定休学，专心致志做实验。兰德在纽约公立图书馆开始了他的偏振光学和化学研究工作，他发现哥伦比亚大学的实验室晚上经常不关窗子，他就爬进去做实验。

兰德看了一篇由英国的一位医生赫拉帕斯（William B. Herapath）在1852年发表的论文，内容提到赫拉帕斯的一位学生曾不小心把碘掉入奎宁的硫酸溶液中，发现立即就有许多小的绿色晶体产生，赫拉帕斯于是将这些晶体放在显微镜下观察，发现当两片晶体相重叠时，其光的透过率会随晶体相交的角度而改变，当它们是相互垂直时，光被完全吸收；相互平行时，光可完全透过。

这种晶体就是碘硫酸奎宁，又叫碘硫酸金鸡纳碱。硫酸奎宁本品系金鸡纳树皮中的一种生物碱。

赫拉帕斯花了将近十年的时间来研究怎样才能做出较大的偏光晶体，也没有获得成功。兰德重复过赫拉帕斯的实验后确定这条路是不可行的，他采用了不同的方式：把大颗粒碘硫酸奎宁晶体研磨成微小晶体，并把这些小晶体粉末悬浮在液体中；把一塑料片放入这种悬浮液中，之后再放入磁场或电场中定向排列这些小晶体；把这个塑料片从悬浮液里捞出，偏光晶体就会定向粘附在塑料片的表面上，干燥后就制作成了偏光片。

这个方法是将许多小的偏光微晶有规则的排列好，也就相当于一个大的偏光晶体。兰德采用这个方法，在1928年他19岁时成功的做出了最先问世的J型偏光片。

须知研磨的碘硫酸奎宁针状晶体粉末尺寸还嫌太大，超过光波波长，制品就模糊不透明。而且这种方法的缺点还费时，成本又高，但兰德已经发现了制造偏光片的几个重要因素：碘+聚合物+定向。

经过不断的研究改进，兰德终于在1938年发明了到现在还在沿用的H型偏光片制造方法。兰德制作这种偏光片的方法是把聚乙烯醇（PVA）薄膜在水蒸气浴中均匀加热并拉伸，使那些无序的相互纠合在一起的长链分子在沿同一方向拉伸过程中排列整齐。之后在含碘溶液中浸泡经过拉伸的PVA薄膜，使碘分子嵌入到已被拉直的分子上去，形成一条条的碘分子链，经晾干便成为性能优良的H型人造偏光片。

偏光片制造技术中，先拉伸后染色是所谓的干法工艺，先染色后拉伸是所谓的湿法工艺。

埃德温. 赫伯特. 兰德（Edwin Herbert Land, 1909～1991）

兰德为了搞偏光片的发明两度从哈佛大学退学，虽然后来获得了很多大学的名誉学位，但最初并没有拿到一张哈佛大学的毕业文凭。

偏光片的应用

液晶显示器

液晶显示器包括手机、电脑、电视等。主流液晶显示技术都离不开偏光片，多数液晶显示模式需要两枚偏光片，这两枚偏光片可以正交（TN-LCD常白），平行（TN-LCD常黑），或者是某个角度（高扭曲向列相液晶显示器HTN-LCD，超扭曲向列相液晶显示器STN-LCD）。也有的液晶显示模式只需要一枚偏光片，如宾主效应型显示，染料液晶盒自身也相当于一枚偏光片；再如某种反射显示模式，一枚偏光片和一枚反射片组合，液晶盒起到旋光或者波片作用。当然还有非主流的液晶显示模式不需要偏光片，如动态散射显示（DS-LCD），反射式胆甾相液晶双稳态显示和聚合物分散液晶（PDLC）显示等。

液晶光阀

不是用于显示信息，也有很多种液晶电光器件，如液晶光阀、液晶透镜、液晶滤光片、液晶光栅、液晶传感器等。液晶光阀包括液晶电焊面罩，液晶调光眼镜，液晶光学快门等。液晶显示器有大量像素，而每个像素都是一个液晶光阀。凡是应用液晶双折射原理制造的电光器件，几乎都要用到偏光片。

偏光眼镜

偏光眼镜有多种产品和用途，有观看三维（3D）立体电影的3D眼镜，有司机夜间驾驶会车用防强光液晶调光眼镜，有大众用防眩光太阳镜等。

偏光显微镜

很多种光学仪器早在液晶显示器风靡之前就开始用偏光片，如图1-15所示偏光显微镜等。但是光学仪器用偏光片可以价格昂贵，在没有胶片式的偏光片之前，使用的是电气石和尼科耳棱镜这样的偏光元件，有了现代的偏光片之后，都改用了把偏光片夹在薄玻璃片之间的起偏器和检偏器。电气石晶系属于三方/六方晶系，选择六角形片状天然电气石晶体容易加工成偏光片。这些晶体都是早期用于制作偏光元件和相位补偿元件的材料，但是都不容易大面积薄膜化，不适合平板显示技术的需求。现在有了聚合物基的偏光片、补偿片，价格便宜、面积大、使用方便，晶体偏光元件几乎都成了“收藏品”，只在不可被聚合物基偏光片替代的特殊技术领域还能得到应用，如特殊光波段，强激光，高温极端环境等。

偏光摄影镜头

摄影镜头偏光滤光片是专业摄影工作者的法宝，是在照相机、摄影机等的镜头前面加一偏光片，就可以大大减轻强烈的直接反射光的干扰，减低天空背景光的强度，增加天空云彩的层次等。

其他应用

光测弹性术用于物质结构中的应力分析，各向同性的物质由于受到应力的作用会产生各向异性的光学性质，称之谓光弹性效应或应力双折射效应。把受到应力的透明物体放在两片偏光片之间进行观察，就可以看到一些宽窄疏密不同，明暗相间的曲线条纹，分析研究这些条纹可以得出物体内应力分布的定量数据，这在科学研究，工程建设和工业生产中都是很有用的。

本文摘编自范志新主编《偏光片制造技术》（责编：裴 育）第1章，内容有删减。

偏光片制造技术

范志新 主 编

北京：科学出版社，2017.01

ISBN 978-7-03-051585-8

《偏光片制造技术》全面、系统、深入地阐述了偏光片的发明、结构、分类和应用,偏振光学基础,偏光片原理,偏光片生产线的建设,制造偏光片的原材料,偏光片的制造工艺,偏光片制造的质量控制,偏光片下游产品的制造工艺和偏光片产业的发展等内容。

（本期编辑：安静）