偏振片偏振化方向的確定及在液晶顯示中的檢驗(yàn)

郭澳運(yùn)，金淋浩，呂占釗，郭佳駿，何子清，劉裕，常春蕊

偏振片偏振化方向的確定及在液晶顯示中的檢驗(yàn)

郭澳運(yùn)，金淋浩，呂占釗，郭佳駿，何子清，劉裕，常春蕊*

（華北理工大學(xué) 理學(xué)院，河北 唐山 063210）

偏振片是一重要的光學(xué)器件，通常實(shí)驗(yàn)室所用偏振片的偏振化方向未知。為了得到精確的偏振片的偏振化方向，提出了一種基于布儒斯特定律測定偏振片偏振化方向的方法，并將已測定偏振化方向的偏振片置于液晶光電測試系統(tǒng)的光路中，測得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關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：偏振片偏振化方向和液晶盒前摩擦取向方向夾角為45°時，透光量達(dá)到最大，并以此角測試了透光量隨施加電壓、時間的變化且給予了理論分析，驗(yàn)證了基于布儒斯特定律可以精確測定偏振片的偏振化方向，從而依據(jù)此研究，搭建了一個物理實(shí)驗(yàn)光路來測定未知偏振片的偏振化方向，并通過已知的光電測試系統(tǒng)給予驗(yàn)證，便于偏振片在需要精確測定其偏振化方向的領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用。

偏振片；偏振化方向；布儒斯特定律；光電測試系統(tǒng)；透光量

1 引言

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)胞熱損傷檢測等［6-7］，推動了醫(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，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、用于動感教學(xué)演示板和動感藝術(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，同時吸收垂直于偏振化方向的偏振光。在液晶光電測試系統(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液晶光電響應(yīng)情況（透光量）影響很大。因此，在對液晶光電響應(yīng)的研究中測定偏振片的未知偏振化方向是很有必要的。

已有文獻(xiàn)報道測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，再基于偏振片的透光特性測定偏振片的偏振化方向。該測定方法操作簡便，對實(shí)驗(yàn)器材的需求也很小。然而，其所測量的結(jié)果太過粗糙［10］，為了更精確地選用和調(diào)整偏振片，需要對所測定的偏振化方向進(jìn)行檢驗(yàn)和細(xì)致測定。本文首先基于布儒斯特定律測定偏振片的偏振化方向，再基于液晶顯示的光電測試系統(tǒng)測定透光量隨所測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)所測偏振片的偏振化方向并給出精確判斷，進(jìn)而測試在某一特定角度下透光量隨施加電壓、時間的變化規(guī)律［11-13］。

2 理論基礎(chǔ)

2.1　測定偏振片偏振化方向的理論基礎(chǔ)

2.2　透光量變化的理論基礎(chǔ)

圖2　偏振光的干涉原理

令系數(shù)滿足：

可見，出射光強(qiáng)在前面系數(shù)一定時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，透光量達(dá)到最大。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1　實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

311實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料主要包括三棱鏡、兩個偏振片（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）。

312實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括樣品臺、He-Ne激光器、分光計、光功率計、信號發(fā)生器、光電管、數(shù)字示波器。

3.2　偏振片偏振化方向的測定與檢驗(yàn)

321偏振化方向的測定

由公式（1）與公式（4）得到布儒斯特角滿足：

圖3　三棱鏡折射率的測定

圖4　偏振片偏振化方向的測定光路。（a）分光計水平調(diào)整位置；（b）分光計所測消光位置。

322偏振化方向的檢驗(yàn)

基于圖5所示的搭建的光電測試系統(tǒng)，對所測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，并經(jīng)示波器顯示輸出的電信號，輸出電信號將反應(yīng)透射光強(qiáng)的變化。

檢驗(yàn)時，選擇頻率為1 kHz、電壓峰峰值為2 V的方波信號，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，分別選擇高頻1 kHz和低頻1 Hz的輸入信號，考查透光量隨電壓、時間的變化，以分別對液晶的電壓響應(yīng)和動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行評估，從而驗(yàn)證所測偏振片偏振化方向的可靠性。

圖5　光電測試系統(tǒng)

4 結(jié)果與討論

4.1　布儒斯特角的范圍初測與偏振片偏振化方向的測定

411布儒斯特角的范圍初測

表1布儒斯特角范圍

Tab.1　Brewster angle range

412偏振片偏振化方向的測定

表2前偏振片和后偏振片的偏振化方向

Tab.2　Polarization direction of front and rear polarizers

由此，基于布儒斯特定律獲知了所測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液晶盒前摩擦取向方向夾角的變化，對所測結(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所示的光電測試系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)偏振片，測得反映出射光強(qiáng)大小的示波器所示信號強(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對應(yīng)的夾角值，分別對夾角范圍40°～50°與85°～95°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?？梢?，在夾角為45°時透光量達(dá)到最大值，而夾角為90°時透光量為最小值，與式（2）的理論計算結(jié)果相一致，同時也檢驗(yàn)了基于布儒斯特定律所測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前摩擦取向方向夾角的變化曲線

需要說明本實(shí)驗(yàn)并未施加電壓，而電壓會改變液晶分子取向，從而影響透光量。下面分別從透光量隨施加電壓和時間變化的角度，解讀最佳角度45°對液晶顯示性能評估影響的重要性。

圖7　細(xì)致化實(shí)驗(yàn)曲線

4.3　透光量隨施加電壓的變化

基于圖5的光電測試系統(tǒng)，對比施加2 V電壓與未加電壓時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。可見，每同一夾角對應(yīng)的透光量顯著不同，且在45°夾角時差異最大，而在90°夾角時差異最小，意味著45°夾角對應(yīng)加與不加電壓透光量的對比度最大。

圖8　電壓對透光量影響的變化曲線

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，考查透光量隨施加電壓的變化，如圖9所示。可見，液晶盒的出射光強(qiáng)變化存在一個臨界電壓，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下發(fā)生偏轉(zhuǎn)的閾值電壓，而隨電壓變化透光量對比度越高時，越便于分析液晶分子對于外加電場的響應(yīng)閾值情況。

圖9　透光量隨施加電壓的變化曲線

4.4　透光量隨時間的變化

同樣基于圖5的光電測試系統(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，考查透光量隨時間的變化，如圖10所示?？梢?，液晶分子在所施加信號電壓下發(fā)生偏轉(zhuǎn)需要一定時間，以透光量-時間曲線可判斷液晶分子在外場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)的響應(yīng)時間（如圖中虛線間隔）；并再次看到45°夾角時透光量隨時間變化的對比度最大，而0°夾角下很小的對比度差異將使得響應(yīng)時間無法測出。因此，在施加一個低頻方波形脈沖信號考查液晶對于外場的動態(tài)響應(yīng)時，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°，可以獲得對比度鮮明的動態(tài)響應(yīng)，便于分析液晶對于外場響應(yīng)的偏轉(zhuǎn)速度、弛豫時間、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　透光量隨時間的變化曲線

5 結(jié)論

本文主要基于布儒斯特定律測定了偏振片的偏振化方向，并基于液晶光電測試系統(tǒng)，通過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關(guān)系對所測偏振片的偏振化方向進(jìn)行了檢驗(yàn)，且測試了透光量隨施加電壓和時間的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于所測偏振片的偏振化方向，調(diào)節(jié)它與液晶盒前摩擦取向方向夾角為45°時，透光量達(dá)到最大，符合理論，檢驗(yàn)了基于布儒斯特定律可以精確測定偏振片的偏振化方向。此外，夾角為45°時透光量隨電壓、時間的變化可以很好地判斷液晶分子在外場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)的閾值行為和動態(tài)響應(yīng)。本研究對測定和檢驗(yàn)偏振片的偏振化方向以及偏振片偏振化方向與液晶盒前摩擦取向方向間夾角對于液晶顯示性能評估影響的重要性給予了理論解析與實(shí)驗(yàn)借鑒。

致謝：感謝華北理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室中心張占新、胡鴻奎、王鳳鳴老師為本實(shí)驗(yàn)提供的實(shí)驗(yàn)平臺與大力支持。

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Determination of polarization direction of polarizer and its test in liquid crystal display

GUO Ao-yun，JIN Lin-hao，Lü Zhan-zhao，GUO Jia-jun，HE Zi-qing，LIU Yu，CHANG Chun-rui*

（，，063210，）

Polarizer is an important optical device. Generally， the polarization direction of polarizer used in laboratory is unknown. In order to obtain the accurate polarization direction of the polarizer， a method for measuring the polarization direction of the polarizer based on Brewster's law is proposed. The polarizer with the measured polarization direction is placed in the optical path of the liquid crystal photoelectric test system， and the variation of the light transmission with the angle between the polarization direction of the polarizer and the front friction orientation direction of the liquid crystal cell is measured. The experimental results show that when the included angle between the polarization direction of the polarizer and the front friction orientation direction of the liquid crystal cell is 45°?， the light transmission reaches the maximum. At this angle， the change of the light transmission with the applied voltage and time is tested and analyzed theoretically. It is verified that the polarization direction of the polarizer can be accurately measured based on Brewster's law. Then a physical experimental optical path is built to measure the polarization direction of the unknown polarizer， which is verified by the known photoelectric test system， so that the polarizer can be better applied in the field where the polarization direction needs to be accurately measured.

polarizer； polarization direction； brewster's law； photoelectric test system； light transmittance

O59；O734+.2

A

10.37188/CJLCD.2022-0056

1007-2780（2022）07-0825-07

2022-02-16；

2022-03-26.

河北省自然科學(xué)基金（No.A2021209005）；河北省教育廳項(xiàng)目（No.QN2021118）；華北理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（No.X2021185）

Supported by Natural Science Foundation of Hebei Province（No.A2021209005）；Project of Hebei Provincial Department of Education（No.QN2021118）；Innovation Program for College Students of North China University of Science and Technology（No.X2021185）

，E-mail：changchunrui@ncst.edu.cn

郭澳運(yùn)（1999—），女，河北易縣人，大學(xué)本科，主要從事應(yīng)用物理醫(yī)學(xué)方面的研究。E-mail：guoaoyun1220@163.com

常春蕊（1982—），女，河北撫寧人，博士，副教授，2011年于中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所獲得博士學(xué)位，主要從事碳納米管的液晶行為及器件方面的研究。E-mail：changchunrui@ncst.edu.cn