1、偏振片偏振化方向的確定及在液晶顯示中的檢驗(yàn)偏振片作為一種偏振器件，有著獨(dú)特的特征結(jié)構(gòu)，并且是可以使自然光變成偏振光的重要光學(xué)器件1 。偏振片在生活、電子、醫(yī)學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在生活中，偏振片作為照相機(jī)的濾光鏡，可濾掉不必要的反射光，并且偏振片可制成3D眼鏡，用于觀看立體電影2；在電子領(lǐng)域中，以偏振片為必要構(gòu)件之一的液晶顯示器應(yīng)用廣泛3，可用于手機(jī)、電腦、電視機(jī)等電子產(chǎn)品 4-5 ；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，經(jīng)偏振片產(chǎn)生的偏振光能夠?yàn)槿藗兲峁┝己玫尼t(yī)療服務(wù)，如角膜和青光眼診療、中風(fēng)后肩手綜合癥治療、細(xì)胞熱損傷檢測(cè)等6-7，推動(dòng)了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域科技的進(jìn)一步發(fā)展；在光學(xué)領(lǐng)域中，偏振片作為常見的光學(xué)器件，

2、在光學(xué)儀器中更是必不可少，如用作起偏器和檢偏器、用于旋光分析、用于動(dòng)感教學(xué)演示板和動(dòng)感藝術(shù)燈箱畫的制作等8。偏振特性是光的重要性質(zhì)之一，很多重要的光學(xué)現(xiàn)象都與光的偏振特性有關(guān)9。偏振片為人們所熟知，然而其偏振化方向卻常常是未知的。偏振化方向是偏振片的一個(gè)重要參數(shù)，偏振片只允許平行于偏振化方向的偏振光通過，同時(shí)吸收垂直于偏振化方向的偏振光。在液晶光電測(cè)試系統(tǒng)中，偏振片的偏振化方向與液晶盒中前摩擦取向方向之間的夾角對(duì)液晶光電響應(yīng)情況（透光量）影響很大。因此，在對(duì)液晶光電響應(yīng)的研究中測(cè)定偏振片的未知偏振化方向是很有必要的。已有文獻(xiàn)報(bào)道測(cè)定偏振片偏振化方向的方法主要是基于布儒斯特定律產(chǎn)生偏振光，再基于

3、偏振片的透光特性測(cè)定偏振片的偏振化方向。該測(cè)定方法操作簡便，對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的需求也很小。然而，其所測(cè)量的結(jié)果太過粗糙10，為了更精確地選用和調(diào)整偏振片，需要對(duì)所測(cè)定的偏振化方向進(jìn)行檢驗(yàn)和細(xì)致測(cè)定。本文首先基于布儒斯特定律測(cè)定偏振片的偏振化方向，再基于液晶顯示的光電測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定透光量隨所測(cè)前偏振片偏振化方向與液晶盒前摩擦取向方向夾角的變化關(guān)系，從而結(jié)合理論分析檢驗(yàn)所測(cè)偏振片的偏振化方向并給出精確判斷，進(jìn)而測(cè)試在某一特定角度下透光量隨施加電壓、時(shí)間的變化規(guī)律11-13。2 理論基礎(chǔ)2.1測(cè)定偏振片偏振化方向的理論基礎(chǔ)測(cè)定偏振片偏振化方向的理論基礎(chǔ)為布儒斯特定律。如圖1所示，當(dāng)自然光S以布儒斯特角為入射

4、角i從介質(zhì)a（折射率為n1）射入介質(zhì)b（折射率為n2）時(shí)，反射光為完全線偏振光，它的電矢量振動(dòng)方向垂直于入射面，且折射光線與反射光線互相垂直。此時(shí)，入射角i滿足：tani=n2n1（1）圖1布儒斯特定律Fig.1Brewsters law2.2透光量變化的理論基礎(chǔ)透光量變化的理論基礎(chǔ)為偏振光的干涉原理14-15，其示意圖如圖2所示，自然光I0經(jīng)前偏振片變?yōu)榫€偏振光I1，入射至液晶盒中的液晶層，光在液晶層中發(fā)生雙折射，分為兩束光。一束光的振動(dòng)方向垂直于光軸（x軸點(diǎn)劃線為光軸方向），遵循折射定律，稱為尋常光，即為o光，另一束光的振動(dòng)方向平行于光軸，不遵循折射定律，稱為非常光，即為e光。這兩束光的電

5、矢量相互垂直，屬于不相干光，再經(jīng)過后偏振片，從其中透射出的光波分別投影在與光軸成角的偏振方向上，電矢量相互平行，屬于相干光，并進(jìn)行干涉，其透光量（出射光強(qiáng)）可表示為：圖2偏振光的干涉原理Fig.2Interference principle of polarized lightI=I04(1+cos)sin2(2)（2）式中，為前偏振片偏振化方向與液晶盒前摩擦取向（光軸）方向的夾角，為光在光路系統(tǒng)中產(chǎn)生的總的相位差。令系數(shù)K滿足：K=I04(1+cos)（3）可見，出射光強(qiáng)在前面系數(shù)K一定時(shí)只取決于前偏振片偏振化方向與液晶盒前摩擦取向方向的夾角，且當(dāng)為45時(shí)，透光量達(dá)到最大。3 實(shí)驗(yàn)3.1實(shí)驗(yàn)

6、材料與設(shè)備3.1.1實(shí)驗(yàn)材料實(shí)驗(yàn)材料主要包括三棱鏡、兩個(gè)偏振片（偏振化方向未知）、4根小木棍（牙簽）、平行液晶盒（上下取向?qū)拥哪Σ寥∠蚍较蚱叫星夜廨S方向已知）。3.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括樣品臺(tái)、He-Ne激光器、分光計(jì)、光功率計(jì)、信號(hào)發(fā)生器、光電管、數(shù)字示波器。3.2偏振片偏振化方向的測(cè)定與檢驗(yàn)3.2.1偏振化方向的測(cè)定首先，基于圖3三棱鏡折射率的測(cè)定，確定布儒斯特角的大致范圍。將三棱鏡固定在木板上，在光源側(cè)，放置兩根足夠細(xì)且距離較遠(yuǎn)的木棍，基于光沿直線傳播的原理，使其完全遮擋入射光線從而判斷入射角i1；然后，在三棱鏡折射面，放置第三根足夠細(xì)的木棍，根據(jù)光的可逆性，使其透過三棱鏡完全遮

7、擋前面兩根木棍；最后，再插入第四根離第三根木棍有一定距離的細(xì)木棍，使其透過三棱鏡完全遮擋前面3根木棍從而判斷折射角i2。由折射定律，有：n1sini1=n2sini2（4）圖3三棱鏡折射率的測(cè)定Fig.3Measurement of refractive index of triangular prism由公式（1）與公式（4）得到布儒斯特角i滿足：i=arctansini1sini2（5）然后，基于圖4偏振片偏振化方向的測(cè)定光路，在上述初測(cè)的布儒斯特角范圍內(nèi)，以5為單位改變?nèi)肷浣堑慕嵌?，通過調(diào)整分光計(jì)樣品臺(tái)上三棱鏡的入射光學(xué)表面，根據(jù)以布儒斯特角入射時(shí)反射光為振動(dòng)方向垂直于入射面的完全線偏振

8、光的特點(diǎn)，使反射光通過偏振片，并旋轉(zhuǎn)偏振片，以分光計(jì)望遠(yuǎn)鏡接收反射光，記錄消光位置1，并以公式（6）計(jì)算布儒斯特角i。圖4偏振片偏振化方向的測(cè)定光路。（a）分光計(jì)水平調(diào)整位置；（b）分光計(jì)所測(cè)消光位置。Fig.4Optical path for measuring polarization direction of polarizer.（a） Horizontal adjustment position of the spectrometer； （b） Measured extinction position of the spectrometer.|10|=1802i（6）式中，0為調(diào)整分光

9、計(jì)載物臺(tái)水平、平行光管與望遠(yuǎn)鏡水平的位置。3.2.2偏振化方向的檢驗(yàn)基于圖5所示的搭建的光電測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)所測(cè)偏振片的偏振化方向進(jìn)行檢驗(yàn)。其中，前后偏振片的偏振化方向正交，由激光管出射的激光依次正入射至前偏振片、液晶片、后偏振片，經(jīng)光電管將透射光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)示波器顯示輸出的電信號(hào)，輸出電信號(hào)將反應(yīng)透射光強(qiáng)的變化。圖5光電測(cè)試系統(tǒng)Fig.5Photoelectric test system檢驗(yàn)時(shí)，選擇頻率為1 kHz、電壓峰峰值為2 V的方波信號(hào)，調(diào)整前偏振片的偏振化方向與液晶盒前摩擦取向方向的夾角，考查輸出電信號(hào)的變化，進(jìn)而結(jié)合理論考查出射光強(qiáng)隨該夾角的變化規(guī)律；并以最佳角度，分別選擇高

10、頻1 kHz和低頻1 Hz的輸入信號(hào)，考查透光量隨電壓、時(shí)間的變化，以分別對(duì)液晶的電壓響應(yīng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，從而驗(yàn)證所測(cè)偏振片偏振化方向的可靠性。4 結(jié)果與討論4.1布儒斯特角的范圍初測(cè)與偏振片偏振化方向的測(cè)定4.1.1布儒斯特角的范圍初測(cè)經(jīng)木棍法測(cè)得在三棱鏡光學(xué)表面處發(fā)生折射的入射角i1與折射角i2，分別測(cè)量3次，并由公式（5）計(jì)算布儒斯特角，列于表1中，由此取得布儒斯特角的范圍為5657。表1布儒斯特角范圍Tab.1Brewster angle range入射角i1i1/（）折射角i2i2/（）ii /（）3019.556.30352256.83382456.494.1.2偏振片偏振化方

11、向的測(cè)定基于圖4偏振片偏振化方向的測(cè)定光路，在上述初測(cè)的布儒斯特角范圍內(nèi)，以10為單位改變望遠(yuǎn)鏡位置，并旋轉(zhuǎn)三棱鏡、接收反射光，再放置和旋轉(zhuǎn)偏振片、觀察光強(qiáng)最大與消光現(xiàn)象，測(cè)得所測(cè)偏振片的偏振化方向，列于表2。同時(shí)根據(jù)分光計(jì)所讀0與1的值，公式（6）給出了布儒斯特角的確定值為5645。表2前偏振片和后偏振片的偏振化方向Tab.2Polarization direction of front and rear polarizers消光對(duì)應(yīng)角度/（）最大光強(qiáng)對(duì)應(yīng)角度/（）前偏振片71161后偏振片191由此，基于布儒斯特定律獲知了所測(cè)偏振片的偏振化方向，進(jìn)而可通過考查出射光強(qiáng)隨前偏振片偏振化方向與

12、液晶盒前摩擦取向方向夾角的變化，對(duì)所測(cè)結(jié)果的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。4.2透光量隨偏振片旋轉(zhuǎn)角度的變化經(jīng)圖5所示的光電測(cè)試系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)偏振片，測(cè)得反映出射光強(qiáng)大小的示波器所示信號(hào)強(qiáng)度隨前偏振片偏振化方向與液晶盒前摩擦取向方向夾角的變化關(guān)系曲線，如圖6所示；為進(jìn)一步確定透光量最大與最小時(shí)對(duì)應(yīng)的夾角值，分別對(duì)夾角范圍4050與8595之間以間隔為1進(jìn)行細(xì)致化實(shí)驗(yàn)，所得透光量隨夾角的細(xì)致變化關(guān)系曲線，如圖7所示。可見，在夾角為45時(shí)透光量達(dá)到最大值，而夾角為90時(shí)透光量為最小值，與式（2）的理論計(jì)算結(jié)果相一致，同時(shí)也檢驗(yàn)了基于布儒斯特定律所測(cè)偏振片偏振化方向的可靠性。圖6透光量隨前偏振片偏振化方向與液晶盒

13、前摩擦取向方向夾角的變化曲線Fig.6Variation curve of transmittance with the angle between the polarization direction of the front polarizer and the front friction orientation of the liquid crystal cell圖7細(xì)致化實(shí)驗(yàn)曲線Fig.7Detailed experimental curve需要說明本實(shí)驗(yàn)并未施加電壓，而電壓會(huì)改變液晶分子取向，從而影響透光量。下面分別從透光量隨施加電壓和時(shí)間變化的角度，解讀最佳角度45對(duì)液晶顯示性能評(píng)

14、估影響的重要性。4.3透光量隨施加電壓的變化基于圖5的光電測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)比施加2 V電壓與未加電壓時(shí)透光量隨偏振片偏振化方向與液晶盒前摩擦取向方向夾角的變化，如圖8所示?？梢?，每同一夾角對(duì)應(yīng)的透光量顯著不同，且在45夾角時(shí)差異最大，而在90夾角時(shí)差異最小，意味著45夾角對(duì)應(yīng)加與不加電壓透光量的對(duì)比度最大。圖8電壓對(duì)透光量影響的變化曲線Fig.8Variation curve of the effect of voltage on transmittance進(jìn)一步地，保持偏振片偏振化方向與液晶盒前摩擦取向方向間夾角成45，輸入高頻1 kHz方波信號(hào)，考查透光量隨施加電壓的變化，如圖9所示?？梢?，

15、液晶盒的出射光強(qiáng)變化存在一個(gè)臨界電壓，即閾值電壓，達(dá)到閾值電壓前透光量幾乎不變，而超過閾值電壓后透光量變小，最后達(dá)到一定電壓值后透光量幾乎不變，由此可以判斷液晶分子在外場(chǎng)下發(fā)生偏轉(zhuǎn)的閾值電壓，而隨電壓變化透光量對(duì)比度越高時(shí)，越便于分析液晶分子對(duì)于外加電場(chǎng)的響應(yīng)閾值情況。圖9透光量隨施加電壓的變化曲線Fig.9Variation curve of transmittance with the applied voltage4.4透光量隨時(shí)間的變化同樣基于圖5的光電測(cè)試系統(tǒng)并保持偏振片偏振化方向與液晶盒前摩擦取向方向間夾角分別為0、15、30和45，輸入低頻1 Hz的方波形脈沖信號(hào)，考查透光量隨時(shí)

16、間的變化，如圖10所示?？梢?，液晶分子在所施加信號(hào)電壓下發(fā)生偏轉(zhuǎn)需要一定時(shí)間，以透光量-時(shí)間曲線可判斷液晶分子在外場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)的響應(yīng)時(shí)間（如圖中虛線間隔）；并再次看到45夾角時(shí)透光量隨時(shí)間變化的對(duì)比度最大，而0夾角下很小的對(duì)比度差異將使得響應(yīng)時(shí)間無法測(cè)出。因此，在施加一個(gè)低頻方波形脈沖信號(hào)考查液晶對(duì)于外場(chǎng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)，選取偏振片偏振化方向與液晶盒前摩擦取向方向間夾角成45，可以獲得對(duì)比度鮮明的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，便于分析液晶對(duì)于外場(chǎng)響應(yīng)的偏轉(zhuǎn)速度、弛豫時(shí)間、取向變化等信息，也有利于降低光路系統(tǒng)中如光電轉(zhuǎn)換器、示波器等元器件精度或不穩(wěn)定因素帶來的干擾。圖10透光量隨時(shí)間的變化曲線Fig.10Variation curve of transmittance with the time5 結(jié)論本文主要基于布儒斯特定律測(cè)定了偏振片的偏振化方向，并基于液晶光電測(cè)試系統(tǒng)，通過透光量隨偏振片偏振化方向與液晶盒