偏光片知识讲座第三讲偏光元件原理

tS =
2n 1 cos θ i n 1 cos θ i + n 2 cos θ t
在 布 儒 斯 特 角 θB 处 ， θi+ θt=90 ° ， rP=0 ， RP=0 。 当光正入射时， θi= θt=0 。 n -n r P =- r S = 2 1 n2 + n1
1.3
菲涅耳公式
t P =t S =
尼科耳棱镜是利用光的全反射原理与晶体的 双折射现象制成的一种偏光元件 。 取一块长度约为 宽度 3 倍的方解石晶体， 将两端切去一部分， 使主 截面上的角度为 68 ° 。 将晶体沿着垂直于主截面 及两端面切开， 再用加拿大树胶粘合起来， 加拿大 树脂胶折射率介于寻常光折射率和非常光折射率 前半个棱镜中的 o 光射到树胶层中产生全反 之间 。 射， 最后从侧面出射； e 光不产生全反射， 能够透过 树胶层， 最后从对面出射 。 所以自尼科耳棱镜出来 的偏振光的振动面在棱镜的主截面 （晶体光轴与折 射光线构成的平面内） 。 尼科耳棱镜可用作起偏器， 也可用作检偏器 。
2.5
菲涅耳菱体
的 思 考
菲涅耳菱体是一种产生圆偏振光或椭圆偏振 光的偏光元件， 用玻璃制造， 线偏振光从菱体第一 端面垂直入射， 使振动面与入射角成 45 ° 角， 并以 54 ° 37' 角入射到菱体斜面上， 经过连续两次全内 反射， 从菱体另一端出射的光是圆偏振光 。 当线偏 振光振动面和入射面间夹胶不是 45 ° 角时，透射 光则是椭圆偏振光 。 反之， 菲涅耳菱体也能使椭圆 偏振光或圆偏振光变成线偏振光 。
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范志新 ： 偏光片知识讲座
第三讲 偏光元件原理
专 家 的 思 考
0.2 左右， 比较小， 要达到同样的起偏效果， 需要比 玻片堆有更多的层数 。 但是高分子塑料膜每层厚度 仅在微米尺度，即使上百层也不及一片玻璃的厚 度， 因此多层膜偏光片是一种可以大面积化 、 有实 用价值的偏光片产品， 而缺点是不能正面用， 入射 可以采 光只能倾斜入射 。 但其缺点却又是个优点， 用多层膜偏光片作增亮膜 。 现有的吸收型偏光片， 即二向色性型偏光片， 一半光透射， 一半光被吸收， 多层膜偏光片， 一半光被透射， 一 所以光损失太大 。 半光被反射， 反射光可以通过类似菲涅耳菱体或偏 振分光棱镜的光学功能膜转化偏振方向， 重新反射 回到多层膜偏光片透射出来， 达到提高光源利用率 的目的 。 而显示器背光源特殊设计的导光板结构提 供了使光束以布儒斯特角倾斜入射的条件 。
并且相位补偿膜是固定的膜片晶盒却在不同的电压驱动下对应着不同的指向矢分布液晶的双折射特性也不断变化若设计一种动态的位相补偿膜与液晶盒保持同步的反分布变化则要求补偿膜成为另一个液晶盒这样将会使生产成本翻倍不适于实际生产所以从实际考虑补偿膜不可能补偿液晶盒在所有工作电压下的双折射性计还是用固定膜片补偿某一液晶分子排列状态下的双折射并且要找出一个最优化的设计参数使得补偿后的总体效果最好力减小液晶盒暗态时的漏光这是提高对比度最倾斜入射的光线由于双折射效应光线在透过液晶盒后会产生一个相位差
A Course of Polarizer Knowledge Part Three The Principle of Polarizing Devices
FAN Zhi-xin (Shenzhen Sunnypol Optoelectronics Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518106, China; Department of Applied Physics, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China) Abstract: This paper summarize the polarizer know ledge in detailed, include about of the invention and application of polarizer, the basic of polarization optics, the principle of polarizing devices, the structure and manufacture of polarizer, the properties and examination of polarizer, and the technology development and market state of polarizer. It have a common direct sense for new recruits in polarizer industry and a refer value for polarizer research w orkers. Keywords: polarizer; polarization optics; principle; manufacture; examination
1
偏光定律
1.1
马吕斯定律
光学定律有很多， 我们仅介绍几个与偏光器件 相关的定律和公式， 包括马吕斯定律 、 布儒斯特定 律、 菲涅耳公式等 。
收稿日期 ：2012-02-04
描述从偏光器件透射出来的光强随起偏器和 检偏器的主截面之间夹角变化规律的经验定律， 即： I= I0cos2θ 。 两偏光片正交： I= I0cos2θ= I0cos2π/2=0 ；
摘
要 ：全文详细综述偏光片的发明和应用、偏振光学基础、偏振元件原理、偏光片的结构、制造、性能、
检测、实验、技术发展、产业现状、市场前景等系列知识，文章对于从事偏光片生产和应用工作的新成员 具有入门指导意义，对于偏光片研究者也具有一定的参考价值。 关键词 ： 偏光片 ； 偏振光学 ； 原理 ； 制造 ； 检验 中图分类号 ：TN949.199 文匈棱镜也是一种由两块直角方解石晶体制 成的双折射偏光元件， 第一个棱镜的光轴与第二个 棱镜的光轴垂直， 但与入射光平行 。 入射一束无偏 光束，在第一块棱镜中不偏转，无 o 光和 e 光之 分 。 达到第二块棱镜时， 垂直第二块棱镜光轴的是 o 光， 无偏转的出射； 平行的是 e 光， 发生偏折出 射 。 遮掉其中一束， 即得到一束很好的线偏振光 。
1.2
布儒斯特定律
P 分量强度反射率： RP= rP2， S 分量强度反射 2 率： RS= rS ； P 分量振幅透射率， t P= APt/APi， S 分量振幅透射 率： t S= ASt/ASi； P 分量强度透射率： TP= t P2， S 分量强度透射率： 2 TS= t S 。 由能量守恒 、 菲涅耳公式， 按这组公式可以得 到光经过透明材料的反射率和透射率 。 （θ i - θ t） tan rP = tan （θ i + θ t） （θt- θ） i rS= sin sin （θi+ θ） t 2n 1 cos θ i tP = n 2 cos θ i + n 1 cos θ t
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一个平行平面波片放置在两枚起偏器 P 和检 偏器 A 之间，当波长为 单色线偏振光垂直入射到 波片时， 求通过检偏器 A 的干涉光强 。厚度为 d 的 波片使 o 光和 e 光产生的光程差是 δ= Δnd= (ne- no)d 相位差是 φ= 2π ! ne- no " d λ 用 α 表示 P 和 A 之间的夹角，用 θ 表示波 片光轴与 P 之间的夹角， 干涉光强表达式是 2 2 （θ- α） sin δ I= I 0 cos α- sin2θsin2 2 P‖ A 时 2 2 δ I= I 0 1- sin 2θsin 2 P⊥ A 时
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第三讲 偏光元件原理
文章编号： 1006- 6268 （2012 ） 03- 0004- 08
偏光片知识讲座 第三讲 偏光元件原理
范志新 （ 深圳市三利谱光电科技股份有限公司 ， 广东深圳 518106 ； 河北工业大学应用物理系 ， 天津 300401 ）
专 家 的 思 考
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第三讲 偏光元件原理
专 家 的 思 考
插进一偏光片： I= I0 [cos2θ ] 2= I0 [cos2π/4] 2 = I0[1/2] 2= I0/4 ； I= I0 [cos2θ ] 3= I0 [cos2π/6] 3 插进两偏光片： 3 = I0[3/4] =27I0/64=0.42I0； 插进三偏光片： I= I0 [cos2θ ] 4= I0 [cos2π/8] 4 =0.53I0； 插进 N （无穷多） 偏光片： I ≈ I0[cos2π/N] N= I0。 由此可以理解扭曲排列液晶盒旋光后光透过 。
A Sr =-
1.4
反射率和透射率公式
当光束遇到两种折射率不同的介质界面时， 为 了说明反射和折射各占多少比例， 引入反射率和透 射率 。 光强经常理解为振幅的平方， 以入射光强度 为单位 1 ， 在没有光吸收损失的情况下， 则反射率 与透射率之和必然等于 1 ， 几种反射率和透射率的 定义如下 。 P 分量振幅反射率： rP= APr/APi， S 分量振幅反射 率： rS= ASr/ASi； 6
由布儒斯特定律和菲涅尔反射和折射公式可 知， 反射和折射会改变入射光的偏振状态 。 入射光 是自然光， 反射和折射光都是部分偏振光； 入射光 是圆偏振光， 反射和折射一般是椭圆偏振光； 入射 光是线偏振光，一般反射和折射光仍是线偏振光， 但是偏振方向要改变， 全反射时反射光一般是椭圆 偏振光 。
3.1
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第三讲 偏光元件原理
2 2 I= I 0 sin 2 θsin δ 2
2
2.1
棱镜偏光元件起偏原理
尼科耳棱镜
偏振光以 45° 角被反射，出射方向与 P 光成 90° 角。 此偏振分光棱镜由一对高精度直角棱镜胶合而 成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜 。 偏振分光棱镜在新型微投影 LCOS 设备光引擎上 专 有特殊应用 。 家
一般情况下，光从空气入射到透明材料中， 反 射光和折射光都是部分偏振光， 反射光电矢量在垂 直入射面方向相对强， 折射光电矢量在平行入射面 方向相对强 。 当光以某特定角度 θB 入射， 满足公 式： tan θB= n ， 反射光和折射光互相垂直， 反射光偏 振方向垂直入射面， 为 S 光， 反射光中没有 P 光分 量 。 这个现象是布儒斯特于 1815 年发现的， 称为 布儒斯特定律 。 布儒斯特定律是一些偏光元件的起 偏原理 。
菲涅耳公式是一组描述反射光 、 折射光及入射 1823 年得到 。用 ASi、 光振幅之间定量关系的公式， APi、 ASt 、 APt 、 ASr、 APr 分别表示入射光 、 折射光 、 反射 光的垂直入射面和平行入射面的振幅分量， θi 和 θt 分别表示入射角和折射角， 菲涅耳公式写成： 2cosθ t cos θ i A Pt = A Pi sin （θ i + θ） （θ i - θ） t cos t 2sin θ t cos θ i A St = Asi sin （θ i + θ t）
2n 1 n2 + n1
n -n RP = RS = 2 1 n2 + n1 TP = TS =
4n 1 n 2
!
"
2
2
! n2 + n1 "
1.5
偏振光干涉公式
A Pr =
（θi - θt） tan A tan （θi + θt） Pi sin （θ i - θ t） A sin （θ i + θ t） Si
3
多层膜偏光片起偏原理
2.2
渥拉斯顿棱镜
渥拉斯顿棱镜是一种由两块直角方解石晶体 制成的双折射偏光元件， 第一个棱镜的光轴与第二 个棱镜的光轴垂直， 又都与入射光垂直 。 入射一束 无偏光束， 在第一块棱镜中不偏转， 但这时 o 光和 e 光的速度不同， 达到第二块棱镜时， 将被分成两 个偏振方向互相垂直的线偏振光束 。 两束光的分离 角相对光轴而言大致是对称的，遮掉其中一束， 即 得到一束很好的线偏振光 。 为了保护晶体和方便使 用， 方解石晶体被组装在一个表面作了黑色处理的 圆筒内 。
2.4
偏振分光棱镜
3.2
多层膜偏光片
偏振分光棱镜 （PBS ） 能把入射的非偏振光分成 两束垂直的线偏振光，其中 P 偏光完全通过，而 S
多层膜偏光片起偏原理与玻片堆相同， 用高分 折射率差 子塑料制造 。 玻片堆界面是玻璃和空气， 0.5 ，比较大，而不同高分子塑料多层膜折射率差
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利用玻璃片就可以制作偏光元件， 以布儒斯特 角入射时虽然反射光是 S 线偏振光，但是反射光 改变了光线传播方向， 而且反射率不高 。 利用多片 玻璃叠加在一起， 称为玻片堆， 自然光以布儒斯特 角入射， 光线每遇到一个界面， 约 15% 的 S 分量反 射， P 分量 100% 透射 。经过多次反射和折射， 反射 光都是 S 分量 。透射光中 S 分量也可以忽略， 几乎 就都是 P 分量线偏振光 。 反射型片光元件的优点 是适用的波长范围较大， 制作简单， 几乎所有的透 光材料都可用来制作反射型偏光元件， 因此这种偏 光元件在红外和紫外波段有其独特的优越性 。