你了解自然界物體反射的光與電子顯示設備發出的光有什么區別嗎？你知道LCD、OLED、3D、AR的工作原理嗎？你清楚偏振光與它們的關系嗎？今天我們就跟大家聊一聊偏振光與多媒體顯示設備的關系。

人們常說眼睛是心靈的窗戶，其實眼睛不單是心靈的窗戶，也是我們接收信息的窗口。據統計，人們接收的信息90%以上都需要通過眼睛，眼睛接收來自外界的可見光，在人眼視網膜成像，最終成為我們觀察到的信息。眼睛接收到的光可以分為兩種，一種是非偏振光，例如我們看到的自然景觀、花草動物、街景人物，都是屬于非偏振光在人眼成像；另一種是偏振光，我們通過多媒體電子設備(例如手機、電腦、電視、3D電影)所看到的影像信息，大多屬于偏振光在人眼成像。

在這里先簡要說明什么是偏振光。光可以看作是一種橫電磁波，它具有相互耦合的電場分量和磁場分量。根據光波電矢量大小和方向的變化規律，可以將光分為線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、部分偏振光和自然光。線偏振光的光矢量端點振動軌跡呈一條直線，圓偏振和橢圓偏振光的光矢量端點振動軌跡分別是一個正圓、橢圓，而自然光的光矢量振動在各個方向上是隨機且平均的，部分偏振光則可以視為自然光和線偏振光的線性疊加。

偏振光與LCD

圖1.LCD結構示意圖。

從LCD(Liquid Crystal Display，液晶顯示器)的結構示意圖看，POL(Polarizer，偏光膜)在其中扮演著關鍵的角色。從BLU(Back Light Unit，背光源)發出的光是波長從380 nm到780 nm的白色自然光，經過下POL后變成線偏振光。LC(Liquid Crystal，液晶)層填充具有雙折射特性的液晶分子，TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶體管)陣列基板在外部輸入電信號的作用下，能夠驅動每個亞像素內的液晶分子旋轉，從而改變經過每個亞像素的線偏振光的偏振方向。從下POL出來的線偏振光經過液晶層后，每個亞像素對應的線偏振光都具有各自獨立的偏振方向，再經過CF(Color Filter，彩色濾光片)后，分別變成紅、綠、藍三原色線偏振光。在CF上方還有上POL，三原色線偏振光經過上POL，由于各自偏振方向不同，因此透過上POL的光強不同，每個像素中不同強度的紅綠藍三原色將合成為各種顏色的色光，從而顯示彩色畫面。

顯然，從LCD屏幕出射的光為線偏振光，其偏振方向與上POL的透過方向一致，拿一個線偏振片放在眼睛前方，轉動線偏振片，能夠很明顯地觀察到顯示器發出的光發生亮→暗→亮→暗的明暗變化。

偏振光與OLED

OLED(Organic Light-Emitting Diode，有機發光二極管顯示器)顯示器與LCD最大的不同是沒有背光源，在外界電信號的驅動下，它每個像素可以獨立發出不同強度的紅、綠、藍三色光。也就是常說的OLED的像素可以自發光，無需通過偏光膜的配合來控制每個像素的光強度和顏色。那么是不是意味著OLED發出的光是自然光而不是偏振光呢？

圖2.OLED工作原理。

答案當然是否定的！雖然OLED不需要像LCD一樣有兩張偏光膜，但是外界環境光經過玻璃基板后照射到OLED金屬電極上(一般是金屬陰極，陽極是ITO氧化銦錫透明電極)會反射回來，嚴重干擾OLED圖像顯示質量。為了抑制金屬電極的反射光干擾，OLED需要搭配線偏光膜和1/4相位延遲片。外界自然光經過線偏光膜、1/4相位延遲片，依次變成線偏振光、圓偏振光，經過OLED金屬陰極反射后，變成旋向相反的圓偏振光，再經過1/4相位延遲膜，變成振動方向與線偏光膜偏振方向垂直的線偏振光，不能透過，從而抑制了外界環境光的反射干擾。

同樣，OLED像素自發光為自然光，經過1/4相位延遲膜后還是自然光(注：1/4相位延遲膜只對偏振光產生作用)，再經過線偏振膜，最后從屏幕出射的為線偏振光。可通過轉動線偏振片驗證OLED發光的偏振狀態。

需要特別說明的是，為了減少線偏振光對人眼的損傷，部分LCD和OLED屏幕還會在最外面再額外加上一片1/4相位延遲膜，將屏幕出射的光變為圓偏振光(實際是橢圓偏振光)，這時候轉動線偏振片，會發現屏幕發出的光有一定的亮度變化，但不會呈現出亮→暗→亮→暗的循環。

偏振光與3D顯示

除了手機、電腦、電視等電子顯示設備發出的光是偏振光之外，平時我們在電影院看到的3D電影，是不是也跟偏振光有密不可分的關系呢？看3D電影，為什么需要佩戴專門的眼鏡？摘掉眼鏡，為什么看到的3D電影畫面會有重影？這些都與目前3D顯示技術的原理有關，它的核心就是光的偏振。

圖3.3D電影拍攝示意圖。

如圖3，3D電影拍攝的時候，用兩個攝像機模擬人的雙眼，對同一景象從不同的角度拍攝了兩幅畫面。放映的時候，同樣有兩臺放映機(或者一臺放映機，帶兩個放映頭)，分別將兩幅不同角度拍攝的畫面投射到熒幕上，而且兩幅畫面的光的偏振方向互相垂直，經過熒幕的漫反射，偏振方向不同的兩幅畫面都照射到人眼上。這時候如果不佩戴3D偏光眼鏡，那么兩幅畫面將同時進入人的雙眼，就會形成重影。如果佩戴3D眼鏡(3D眼鏡的偏振透過方向分別與兩幅畫面的光偏振方向對應)，那么其中一幅畫面只能從左邊的鏡片透過，另一幅畫面只能從右邊的鏡片透過，左右眼觀察到不同的畫面，經過大腦對圖像的分析與合成后，得以讓人感知到3D效果。

目前的所謂3D顯示，其本質上都只是顯示2D畫面，只不過通過偏振技術讓人眼感知到3D顯示效果。真正的3D顯示，應當直接呈現3D立體圖像，從而具有更真實的立體感，這有賴于另一種更先進的3D全息光學顯示技術的進一步發展。

圖4.3D電影顯示示意圖。

偏振光與AR顯示

VR(Virtual Reality，虛擬現實)與AR(Augmented Reality，增強現實)顯示技術是當前非常流行的技術熱點，其根本目的是為了提供比3D顯示更真實的沉浸式感受。其中AR與VR最大的不同在于，VR是利用電子設備，將虛擬的場景轉化為能夠讓人們感受到的現象(包括3D圖像、聲音、氣味、觸覺……)；而AR是將虛擬的場景嵌套在現實世界當中，人們感知到的是一個虛擬與現實融合增強的世界，這就要求AR顯示設備中提供光信號的微顯示器不能直接設置在人眼前方，以免遮擋人眼對現實世界的觀察，為此需要通過光波導將微顯示器發出的光信號耦合進人眼。那么偏振光與AR顯示技術又存在什么關聯呢？

圖5.AR顯示過程。

AR顯示最重要的虛擬信號來源于微顯示器提供的影像光信號，這些光信號需要經歷耦入波導→波導傳輸→耦出波導→進入人眼的一個過程，其中波導傳輸依賴于光在光密介質→光疏介質界面處的全反射，而光的耦合、耦出依賴于對光傳播方向的偏轉。按照對光束偏轉方式的不同，AR光波導可以分為幾何式、衍射式。其中AR衍射光波導是利用衍射光柵來實現光束偏轉，目前市面上較為流行的是表面浮雕結構衍射光柵和全息體光柵，但是今天我們給大家介紹一種可以高效偏轉光束的新型光柵：偏振光柵。

顧名思義，偏振光柵(Pancharatnam-Berry相位光柵，區別于傳統純相位型表面浮雕結構光柵)是一種衍射效應與入射光偏振態相關的光柵器件。如圖，當入射為自然光時，經過偏振光柵后出射為相位無關聯的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光；入射為線偏振光時，經過偏振光柵后出射為相位互相關聯的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光；入射為右旋圓偏振光時，經過偏振光柵后出射為旋向相反的左旋圓偏振光；入射為左旋圓偏振光時，經過偏振光柵后出射為旋向相反的右旋圓偏振光。

圖6.偏振光柵的作用。

?前面提到，不管是LCD還是OLED屏幕發出的光都是線偏振光，因此偏振光柵完全可以用于AR光波導中的光束偏轉。相比于傳統表面浮雕結構光柵，偏振光柵具有更高的衍射效率、實現更大角度光束偏轉、可以制成平板甚至柔性彎曲結構、可以通過優化設計減少衍射色散效應，具有一系列優點。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的交叉线和直通线各自用于什么场合?为什么?_【小麓讲堂】偏振光与LCD、OLED、3D、AR到底有什么关系？...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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