光學膜片之偏光片的結構及其工作原理介紹

電視、智能手機、汽車儀表等IT設備的重要性能之一就是畫質，為打造畫質清晰的顯示器，“偏光板(Polarizer)”是必不可少的材料。

我們平時看到的自然光，沿著一切方向振動，從而向四面八方傳播。沿多個方向振動產(chǎn)生的自然光透過偏光板時，會轉化為沿一個方向振動的光波。如果沒有偏光板，屏幕會看起來模糊不清。這也是偏光板被稱為“數(shù)字快門(Digital Shutter)”的原因。

LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）是利用兩個偏光板之間的液晶來改變光的方向或調(diào)節(jié)強度的透射式顯示器。具體效果可以看看下面的視頻演示。

相反，OLED（Organic Light-Emitting Diode，有機發(fā)光二極管）是通過向OLED器件傳輸電子信號來發(fā)光的自發(fā)光顯示器。

因此，OLED不需要偏光板也能發(fā)光，但為了確保戶外可見度偏光板仍必不可少。通常，OLED 偏光板用于常在戶外使用的智能手機或筆記本電腦屏幕，以防止外部光線反射并提供高可見度。但與LCD不同的是，OLED面板只需要上面的一層偏光板即可，其結構如下圖所示：

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偏光片的結構

偏光片主要由PVA膜、TAC膜、保護膜、離型膜和壓敏膠等復合制成。偏光片的基本結構如下圖所示：

偏光片中起偏振作用的核心膜材是PVA膜。PVA膜經(jīng)染色后吸附具有二向吸收功能的碘分子，通過拉伸使碘分子在PVA膜上有序排列，形成具有均勻二向吸收性能的偏光膜，其透過軸與拉伸的方向垂直。（而拉伸的方向，也就是常說的吸收軸）

構成偏光片的各種主要膜材所具備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，厚度適中的液晶分子可以讓光的偏振方向旋轉90°或者270°（加電壓時液晶分子由于電場作用樹立，不改變光的偏正方向），加上兩片偏光片才可以使整個液晶盒子變成一個光開光。其中一個是起偏器（下偏，靠近光源），一個是檢偏器（靠近眼睛）。

如果沒有偏光片，入射光是圓偏振光，出射也是圓偏振光，就沒有任何圖像了。就是白色一片。至于LCD內(nèi)部已經(jīng)有RGB濾光膜，但是要顯示紅色需要綠色，藍色全關，紅色開，看上去才是紅色，如果RGB由于偏光片失效，處于全開狀態(tài)，那可能上去就是復色光--白光了。

偏光片（Polarizer）可控制特定光束的偏振方向。自然光在通過偏光片時，振動方向與偏光片透過軸垂直的光將被吸收，透過光只剩下振動方向與偏光片透過軸平行的偏振光。如下圖所示：

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偏光片只允許單一方向的光線通過，所以通過上下兩片偏光片的垂直排列就可以控制光線了。

當背光源的入射光通過偏光板、液晶及取向膜后，輸出光便具備了特定的方向特性，也就是說，大多數(shù)從屏幕射出的光具備了垂直方向。因此LCD的角度就有了一定限制；假如從一個非常斜的角度觀看一個全白的畫面，我們可能會看到黑色或是色彩失真。

一般來說，上下角度要小于或等于左右角度。如果可視角度為左右80度，表示在始于屏幕法線80度的位置時可以清晰地看見屏幕圖像。但是，由于人的視力范圍不同，如果沒有站在最佳的可視角度內(nèi)，所看到的顏色和亮度將會有誤差。

LCD的顯示原理決定了它的可視角度并不理想。為了增大可視角度，有些廠商開發(fā)出了各種廣視角技術，試圖改善液晶顯示器的視角特性，比如IPS液晶面板，可以把液晶顯示器的可視角度增加到160度，甚至更多。

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偏光片的分類

偏光片的應用范圍很廣，不但能使用在LCD上作為偏光材料，也可用于太陽眼鏡、防眩護目鏡、攝影器材的濾光鏡、汽車頭燈防眩處理及光量調(diào)整器，其它還有偏光顯微鏡與特殊醫(yī)療用眼鏡

a.偏光片按功能分類

透射式偏光片 反射式偏光片 半透過半反射式偏光片 補償型偏片

b.偏光片按染色方法分類

碘系偏光片：PVA與碘分子相結合，為現(xiàn)今生產(chǎn)偏光膜最主要的方法。容易獲得高透過率、高偏振度的光學特性，但耐高溫高濕的能力較差。

染料系偏光片：將具有二色性的有機染料吸著在PVA上，并加以延伸定向，使之具有偏旋光性能。不容易獲得高透過率、高偏振度的光學特性，但耐高溫高濕的能力較好。

c.偏光片按起偏材料的種類分類

金屬偏光片:將金、銀、鐵等金屬鹽吸附在高分子薄膜上，再加以還原，使棒狀金屬有起偏的能力，現(xiàn)在已不使用這種方法生產(chǎn)。

碘系偏光片：PVA與碘分子所組成，為現(xiàn)今生產(chǎn)偏光膜最主要的方法。

染料系偏光片：將具有二色性的有機染料吸著在PVA上，并加以延伸定向，使之具有偏旋光性能;

乙烯偏光片：用酸為觸媒，將PVA脫水，使PVA分子中含一定量乙烯結構，再加以延伸定向，使之具有偏旋光性能。

d.按照不同的作用分類

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偏光片的性能指標

如下圖為，我們一般在選用偏光片時所關注的性能指標：

不同性能指標的含義如下圖：

不同的性能指標量化后對LCD模組的影響：

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偏光片表面處理

常見的表面處理方式包括： 防眩處理（AG） 防眩＋低反射處理（AG＋LR） 透明硬化＋低反射處理（CHC＋LR） 透明硬化處理（CHC） 防反射處理（AR）等

不同的表面處理方式可滿足不同終端的應用需求，例如CHC處理多用于可觸摸的移動電子設備上等。目前上述表面處理已被廣泛用于各類電子產(chǎn)品。其生產(chǎn)加工過程就是典型的濕法涂布過程。

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偏光片的設計要點

偏光片的設計選用指標主要包括光學特性、機械性能和可靠性三方面，在滿足這三方面的前提下，則要重點考慮成本方面。

光學特性主要是指偏光片的透過率、偏振度和色調(diào)等參數(shù)；下層偏光片如果是濾X方向的光，那上層只能是濾Y方向的光，如果上下同一方向，用戶就看不到任何東西。

LCD液晶顯示屏雖然在正常工作的，但是肉眼沒有辦法看到偏光。
和背光搭配方面，其下偏光片的吸收軸一定要與背光DBEF膜片的穿透軸垂直，否則背光光線將無法穿透下偏光片；其次若背光使用了光柵膜（防窺膜），則要注意光柵膜的角度問題，否則容易產(chǎn)生摩爾紋問題。

機械性能主要包括偏光片的翹曲度、偏光片壓敏膠的粘結強度及偏光片的厚度等； 可靠性則是衡量偏光片耐久性的指標，其評價方法是將偏光片放置在高溫、低溫、高溫高濕等環(huán)境試驗箱中經(jīng)過一定的時間后，檢查其外觀和光學性能的變化。

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偏光片的發(fā)展前景

其實傳統(tǒng)偏光片技術已難以滿足日新月異的新型顯示技術需求。特別是現(xiàn)在手機產(chǎn)品越來越薄型化，對偏光片材料的薄型化、高透過率、高耐候性等均提出了較高的要求。

直接制備在顯示器件內(nèi)部的內(nèi)置型偏光片(In-Cell Polarizer)技術，使偏光片與顯示器件融為一體，其獨特的超薄、高透過率、環(huán)境耐受性以及低成本等優(yōu)點，越來越受到顯示行業(yè)的重視。

特別是柔性OLED和柔性LCD的發(fā)展，對內(nèi)置型偏光片的發(fā)展提出了迫切需求。柔性顯示屏的整體厚度越輕薄，材料柔韌性越好，可達到的曲率半徑越小。

制作LCD用外置型偏光片的塑料基板會導致顯示品質差、視角特性狹窄等柔性顯示課題，比如偏光板及相位差板的厚度造成了柔性差的問題。

審核編輯：劉清