偏极光与偏光膜的基本原理

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1、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(WhiteLight)是由所有的色光(ColoredLight)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(ThomasYoung)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

2、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2 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

3、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

4、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(

5、Film)或是板(PlateorSheet)的形式存在，因此，通常又称之为偏光膜(PolarizingFilm)或偏光板(PolarizingPlateorSheet)。英文上另外一个更通俗的称呼是PolarizingFilter。偏光膜的起源   偏光膜是由美国拍立得公司(Polaroid)创始人兰特(EdwinH.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

6、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thesolutiondisulfateofquinine，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

7、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(ballmill)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

8、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)