光学膜片之偏光片的结构及其工作原理介绍

电视、智能手机、汽车仪表等IT设备的重要性能之一就是画质，为打造画质清晰的显示器，“偏光板(Polarizer)”是必不可少的材料。  

我们平时看到的自然光，沿着一切方向振动，从而向四面八方传播。沿多个方向振动产生的自然光透过偏光板时，会转化为沿一个方向振动的光波。如果没有偏光板，屏幕会看起来模糊不清。这也是偏光板被称为“数字快门(Digital Shutter)”的原因。  

LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）是利用两个偏光板之间的液晶来改变光的方向或调节强度的透射式显示器。具体效果可以看看下面的视频演示。

相反，OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）是通过向OLED器件传输电子信号来发光的自发光显示器。  

因此，OLED不需要偏光板也能发光，但为了确保户外可见度偏光板仍必不可少。通常，OLED 偏光板用于常在户外使用的智能手机或笔记本电脑屏幕，以防止外部光线反射并提供高可见度。但与LCD不同的是，OLED面板只需要上面的一层偏光板即可，其结构如下图所示：  
 

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偏光片的结构

偏光片主要由PVA膜、TAC膜、保护膜、离型膜和压敏胶等复合制成。偏光片的基本结构如下图所示：

偏光片中起偏振作用的核心膜材是PVA膜。PVA膜经染色后吸附具有二向吸收功能的碘分子，通过拉伸使碘分子在PVA膜上有序排列，形成具有均匀二向吸收性能的偏光膜，其透过轴与拉伸的方向垂直。（而拉伸的方向，也就是常说的吸收轴）  

构成偏光片的各种主要膜材所具备的特性及作用如下表所示：

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偏光片工作原理

LCD是利用液晶的旋光性，厚度适中的液晶分子可以让光的偏振方向旋转90°或者270°（加电压时液晶分子由于电场作用树立，不改变光的偏正方向），加上两片偏光片才可以使整个液晶盒子变成一个光开光。其中一个是起偏器（下偏，靠近光源），一个是检偏器（靠近眼睛）。

如果没有偏光片，入射光是圆偏振光，出射也是圆偏振光，就没有任何图像了。就是白色一片。至于LCD内部已经有RGB滤光膜，但是要显示红色需要绿色，蓝色全关，红色开，看上去才是红色，如果RGB由于偏光片失效，处于全开状态，那可能上去就是复色光--白光了。  

偏光片（Polarizer）可控制特定光束的偏振方向。自然光在通过偏光片时，振动方向与偏光片透过轴垂直的光将被吸收，透过光只剩下振动方向与偏光片透过轴平行的偏振光。如下图所示：
 

 

偏光片只允许单一方向的光线通过，所以通过上下两片偏光片的垂直排列就可以控制光线了。  

当背光源的入射光通过偏光板、液晶及取向膜后，输出光便具备了特定的方向特性，也就是说，大多数从屏幕射出的光具备了垂直方向。因此LCD的角度就有了一定限制；假如从一个非常斜的角度观看一个全白的画面，我们可能会看到黑色或是色彩失真。

一般来说，上下角度要小于或等于左右角度。如果可视角度为左右80度，表示在始于屏幕法线80度的位置时可以清晰地看见屏幕图像。但是，由于人的视力范围不同，如果没有站在最佳的可视角度内，所看到的颜色和亮度将会有误差。  

LCD的显示原理决定了它的可视角度并不理想。为了增大可视角度，有些厂商开发出了各种广视角技术，试图改善液晶显示器的视角特性，比如IPS液晶面板，可以把液晶显示器的可视角度增加到160度，甚至更多。  

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偏光片的分类

偏光片的应用范围很广，不但能使用在LCD上作为偏光材料，也可用于太阳眼镜、防眩护目镜、摄影器材的滤光镜、汽车头灯防眩处理及光量调整器，其它还有偏光显微镜与特殊医疗用眼镜  

a.偏光片按功能分类  

透射式偏光片   反射式偏光片   半透过半反射式偏光片   补偿型偏片  

b.偏光片按染色方法分类  

碘系偏光片：PVA与碘分子相结合，为现今生产偏光膜最主要的方法。容易获得高透过率、高偏振度的光学特性，但耐高温高湿的能力较差。  

染料系偏光片：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。不容易获得高透过率、高偏振度的光学特性，但耐高温高湿的能力较好。  

c.偏光片按起偏材料的种类分类  

金属偏光片: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。  

碘系偏光片：PVA与碘分子所组成，为现今生产偏光膜最主要的方法。  

染料系偏光片：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;  

乙烯偏光片：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。  

d.按照不同的作用分类

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偏光片的性能指标

如下图为，我们一般在选用偏光片时所关注的性能指标：

不同性能指标的含义如下图：

不同的性能指标量化后对LCD模组的影响：

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偏光片表面处理

常见的表面处理方式包括： 防眩处理（AG） 防眩＋低反射处理（AG＋LR） 透明硬化＋低反射处理（CHC＋LR） 透明硬化处理（CHC） 防反射处理（AR）等  

不同的表面处理方式可满足不同终端的应用需求，例如CHC处理多用于可触摸的移动电子设备上等。目前上述表面处理已被广泛用于各类电子产品。其生产加工过程就是典型的湿法涂布过程。    

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偏光片的设计要点

偏光片的设计选用指标主要包括光学特性、机械性能和可靠性三方面，在满足这三方面的前提下，则要重点考虑成本方面。

光学特性主要是指偏光片的透过率、偏振度和色调等参数；下层偏光片如果是滤X方向的光，那上层只能是滤Y方向的光，如果上下同一方向，用户就看不到任何东西。

LCD液晶显示屏虽然在正常工作的，但是肉眼没有办法看到偏光。
和背光搭配方面，其下偏光片的吸收轴一定要与背光DBEF膜片的穿透轴垂直，否则背光光线将无法穿透下偏光片；其次若背光使用了光栅膜（防窥膜），则要注意光栅膜的角度问题，否则容易产生摩尔纹问题。  

机械性能主要包括偏光片的翘曲度、偏光片压敏胶的粘结强度及偏光片的厚度等；  可靠性则是衡量偏光片耐久性的指标，其评价方法是将偏光片放置在高温、低温、高温高湿等环境试验箱中经过一定的时间后，检查其外观和光学性能的变化。

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偏光片的发展前景

其实传统偏光片技术已难以满足日新月异的新型显示技术需求。特别是现在手机产品越来越薄型化，对偏光片材料的薄型化、高透过率、高耐候性等均提出了较高的要求。  

直接制备在显示器件内部的内置型偏光片(In-Cell Polarizer)技术，使偏光片与显示器件融为一体，其独特的超薄、高透过率、环境耐受性以及低成本等优点，越来越受到显示行业的重视。  

特别是柔性OLED和柔性LCD的发展，对内置型偏光片的发展提出了迫切需求。柔性显示屏的整体厚度越轻薄，材料柔韧性越好，可达到的曲率半径越小。  

制作LCD用外置型偏光片的塑料基板会导致显示品质差、视角特性狭窄等柔性显示课题，比如偏光板及相位差板的厚度造成了柔性差的问题。            

审核编辑：刘清