1. 引言偏振光——看不见的光学世界说起光学大家可能会想到透镜、反射、折射这些熟悉的概念。但说起”偏振光”很多人可能就比较陌生了。实际上偏振光在我们的生活中无处不在—— - 你戴的偏光太阳镜利用的就是偏振光原理 - 电影院的3D电影用的也是偏振光技术 - 你每天看的手机屏幕发出的也是偏振光只是因为我们的眼睛不能直接感知偏振状态所以偏振光成了一个”看不见”的光学世界。但”看不见”不代表”不重要”。近年来随着显示技术的发展偏振光学在显示领域的应用越来越广泛。从3D显示到屏幕护眼偏振光学都扮演着重要的角色。今天我们就来聊聊偏振光学在显示领域的应用——从早期的3D眼镜到现在的护眼膜看看这项技术是如何演进的。本文适合对光学、显示技术、材料科学感兴趣的开发者、产品经理以及想要深入了解相关技术的读者阅读。2. 偏振光学基础什么是偏振光在讲应用之前我们先快速复习一下偏振光学的基础知识。2.1 光的波动性光是一种电磁波由相互垂直的电场和磁场振动传播。一般情况下我们说的”光的振动方向”指的是电场的振动方向。2.2 偏振光的分类根据电场振动方向的不同偏振光可以分为几类1. 自然光非偏振光- 电场在各个方向上的振动都有且均匀分布 - 比如太阳光、白炽灯发出的光 - 我们的眼睛最适应这种光2. 线偏振光- 电场只沿一个固定方向振动 - 能量分布不均匀 - OLED屏幕发出的光就是线偏振光3. 圆偏振光- 电场的大小不变方向随时间均匀旋转 - 能量在各个方向上均匀分布 - 更接近自然光的特性4. 椭圆偏振光- 介于线偏振和圆偏振之间 - 电场的大小和方向都在变 - 轨迹是椭圆形的2.3 偏振光的产生偏振光可以通过几种方式产生1. 偏振片- 只允许特定方向振动的光通过 - 最常见的偏振元件 - 偏光太阳镜就是用的偏振片2. 反射- 光以布儒斯特角入射到介质表面时反射光就是线偏振光 - 这也是为什么水面、玻璃面的反射光会有偏振特性3. 双折射晶体- 某些晶体如方解石、波片具有双折射特性 - 可以改变光的偏振状态 - 1/4波片就是一种常见的双折射元件2.4 1/4波片与圆偏振光的产生1/4波片是一种很重要的偏振元件也是我们后面要讲的圆偏振光护眼技术的核心。什么是1/4波片1/4波片是一种双折射元件它能使o光寻常光和e光非常光之间产生λ/4的光程差也就是π/2的相位差。怎么用1/4波片产生圆偏振光当线偏振光垂直入射到1/4波片且偏振方向与波片光轴成45°角时出射光就是圆偏振光。原理很简单 - 线偏振光入射到波片后分解成o光和e光 - 两个分量振幅相等因为45°入射 - 经过波片后两个分量产生π/2的相位差 - 振幅相等、相位差π/2的两个垂直振动合成的就是圆偏振光这个原理就是圆偏振光护眼膜的技术基础。3. 偏振光在显示领域的早期应用3D显示偏振光在显示领域的应用最早可以追溯到3D显示。3.1 3D显示的原理3D显示的基本原理是让左眼和右眼看到略有差异的图像大脑通过融合这两幅图像产生立体感。怎么让左右眼看到不同的图像有几种技术方案其中最常见的就是偏振式3D。3.2 偏振式3D的原理偏振式3D的原理很简单 1. 屏幕上同时显示两幅图像一幅是左眼视角一幅是右眼视角 2. 两幅图像的偏振方向不同比如一个是水平偏振一个是垂直偏振 3. 观众戴的3D眼镜左右镜片的偏振方向也不同 4. 这样左眼只能看到左眼的图像右眼只能看到右眼的图像 5. 大脑融合后就产生了立体感早期的偏振式3D用的是线偏振但有个问题——观众如果歪头偏振方向就不对了3D效果会变差。后来就出现了圆偏振式3D - 两幅图像分别是左旋圆偏振光和右旋圆偏振光 - 眼镜的左右镜片也分别对应左旋和右旋 - 这样即使观众歪头也不会影响3D效果圆偏振式3D的体验更好现在电影院的3D电影基本都是圆偏振的。3.3 偏振式3D的意义偏振式3D虽然是比较早期的应用但它的意义很重要证明了偏振光可以用于显示领域这为后续的应用打下了基础。积累了偏振光学元件的制备技术偏振片、波片这些元件的制备工艺在3D显示的推动下得到了很大的发展。让人们开始关注屏幕的偏振特性以前大家可能不太在意屏幕的偏振状态但3D显示让人们开始关注这个问题。这些技术积累为后来的应用——比如圆偏振光护眼——打下了基础。4. OLED屏幕与偏振光为什么手机屏幕是线偏振的聊完了3D显示我们再来说说手机屏幕。现在的手机屏幕大部分都是OLED的。而OLED屏幕发出的光是线偏振光。为什么会这样这要从OLED屏幕的结构说起。4.1 OLED屏幕的基本结构OLED屏幕的结构从下到上大致是 1. 基板玻璃或塑料 2. TFT驱动层 3. 阳极一般是ITO透明导电材料 4. 有机发光层 5. 阴极金属电极 6. 封装层 7. 圆偏振片很重要 8. 触控层 9. 盖板玻璃注意第7层——圆偏振片。很多人可能不知道OLED屏幕表面是有一层圆偏振片的。4.2 为什么要有圆偏振片OLED屏幕加圆偏振片主要是为了减少环境光反射。原理是这样的 1. 环境光非偏振光从外面入射到屏幕 2. 先经过1/4波片变成圆偏振光 3. 再经过线偏振片变成线偏振光 4. 光线到达阴极金属电极后反射回来 5. 反射光再次经过线偏振片时偏振方向与偏振片垂直被阻挡 6. 这样环境光的反射就被大大减弱了简单说圆偏振片的作用就是让环境光”有去无回”从而减少反射提升对比度。如果没有这层圆偏振片环境光会在金属电极上强烈反射屏幕就会像镜子一样根本看不清内容。4.3 那为什么出射光是线偏振的你可能会问屏幕表面不是有圆偏振片吗那出射光应该是圆偏振的啊不对这里有个常见的误解。实际上OLED发光层发出的光是从内部向外射的。它先经过线偏振片变成线偏振光然后经过1/4波片…等等方向很重要。圆偏振片的结构是线偏振片 1/4波片。对于从外部入射的环境光 - 先经过1/4波片因为1/4波片在外侧 - 再经过线偏振片 - 反射回来后再经过线偏振片和1/4波片 - 最终被阻挡而对于从内部发出的光 - 先经过线偏振片因为线偏振片在内侧 - 变成线偏振光 - 然后经过1/4波片 - 理论上如果偏振方向和光轴夹角合适会变成圆偏振光但实际上为了让环境光的反射最小化圆偏振片的设计是针对环境光优化的。对于内部发出的光经过圆偏振片后偏振状态并不是完美的圆偏振而是更接近线偏振。所以我们看到的OLED屏幕发出的主要是线偏振光。这一点很重要——它是圆偏振光护眼技术的前提。5. 偏振光与视疲劳被忽视的关联长时间看手机眼睛为什么会累很多人会说是”蓝光”但实际上视疲劳是多因素的综合结果。而偏振光的影响是一个经常被忽视的因素。5.1 人眼与自然光的适应人类的眼睛是在自然光的环境中进化的。自然光是什么样的 - 非偏振光或者说偏振度很低 - 能量在各个方向上均匀分布 - 光谱连续、平滑我们的视觉系统已经适应了这种光线环境。5.2 线偏振光对视疲劳的影响而OLED屏幕发出的线偏振光跟自然光很不一样 - 能量只集中在一个方向 - 偏振状态单一那么线偏振光会不会加重视疲劳呢从理论上分析是有可能的睫状肌调节负担线偏振光的能量分布不均匀眼睛可能需要持续微调来适应这种不均匀的能量分布。时间长了睫状肌就容易疲劳。泪膜稳定性有研究表明线偏振光可能影响泪膜的稳定性。泪膜不稳定就容易导致干眼。视觉舒适度很多用户的主观反馈是看圆偏振光的屏幕眼睛更放松、更舒服。虽然主观感受不能完全证明什么但大量用户的一致反馈还是有参考价值的。5.3 相关研究进展关于偏振光与视疲劳的关系目前还在研究中还没有形成完全统一的结论。但已经有一些研究表明 - 长时间注视线偏振光视疲劳评分更高 - 圆偏振光比线偏振光的视觉舒适度更好 - 偏振光可能影响泪膜稳定性和眼表健康当然这些研究还比较初步需要更多、更深入的研究来验证。但至少“偏振光影响视疲劳”这个假设在理论上是说得通的也有一些初步的实验支持。这也是圆偏振光护眼技术的理论基础。6. 圆偏振光护眼技术原理与实现有了前面的知识铺垫我们再来看圆偏振光护眼技术就很容易理解了。6.1 基本原理圆偏振光护眼技术的原理说起来很简单OLED屏幕发出的是线偏振光 → 在屏幕表面加一层1/4波片 → 把线偏振光变成圆偏振光 → 让光线能量分布更均匀更接近自然光 → 减轻眼睛调节负担缓解视疲劳就这么简单。当然原理简单不代表实现容易。要做好还是有很多技术难点的。6.2 技术架构一个典型的圆偏振光护眼膜结构大致是这样的从外到内从用户侧到屏幕侧 1. 盖板玻璃钢化玻璃 2. AR镀膜层抗反射 3. 相位延迟层1/4波片实现圆偏振光转化 4. 胶层OCA胶用来贴合屏幕 5. 离型膜贴合前撕掉当然不同品牌的产品结构可能会有差异但核心都是相位延迟层。6.3 关键参数圆偏振光护眼膜的关键参数主要有这几个1. 相位延迟精度- 要实现完美的圆偏振光相位延迟必须精确控制在λ/4 - 如果偏差太大出来的就是椭圆偏振光效果会打折扣2. 波长相关性- 相位延迟是跟波长相关的 - 不同波长的光经过同一个波片相位延迟不一样 - 要在整个可见光波段都实现比较好的圆偏振效果需要特殊的设计如消色差波片3. 透光率- 相位延迟层本身会有一定的光损失 - 好的产品透光率应该在95%以上4. 雾度- 雾度太高会影响画质 - 好的产品雾度应该在1%以下5. 厚度- 手机膜的总厚度是有限制的 - 要在有限的厚度内实现多种功能对工艺要求很高6.4 验证方法圆偏振光护眼膜的效果怎么验证呢有几种方法1. 专业方法偏振态测量仪- 可以精确测量出射光的偏振状态 - 比如Stokes偏振仪、穆勒矩阵仪等 - 实验室常用精度高2. 简易方法偏振片旋转观察- 拿一个偏振片放在贴了膜的屏幕前 - 旋转偏振片观察画面亮度变化 - 线偏振光旋转时亮度明显变化甚至会完全暗下来 - 圆偏振光旋转时亮度基本不变始终均匀 - 简单易行普通人也能操作3. 用户体验主观感受- 用一段时间感受眼睛的疲劳程度 - 虽然主观但最直接很多品牌比如悟赫德会随产品附赠检测卡就是用的第二种方法——让用户自己就能验证技术真假。这种”透明化”的做法在概念营销盛行的行业里算是一股清流。7. 技术挑战如何做好圆偏振光护眼膜原理听起来简单但要做好一款圆偏振光护眼膜并不容易。有这几个主要的技术挑战挑战1相位延迟的精确控制要实现完美的圆偏振光相位延迟必须精确控制在λ/4。但实际生产中很难做到完全精确。材料的双折射率有公差膜层厚度有公差温度、湿度等环境因素也会影响这些因素都会导致相位延迟偏离理想值。如果偏离太大出来的就是椭圆偏振光效果就会打折扣。怎么解决 - 选用高精度的相位延迟材料 - 严格控制生产工艺 - 做好质量检测剔除不合格品挑战2宽波段性能相位延迟是跟波长相关的。普通的1/4波片只对特定波长比如550nm的绿光是λ/4。对其他波长相位延迟就不是λ/4了。这就导致只有绿光比较接近圆偏振红光和蓝光的偏振状态会差一些。怎么解决 - 采用消色差波片设计 - 用多层结构在更宽的波段内实现接近λ/4的相位延迟 - 当然工艺会更复杂成本也更高挑战3层间匹配圆偏振光护眼膜不是只有一层相位延迟层还有钢化玻璃层、AR镀膜层、胶层等等。各层之间的光学匹配很重要。折射率不匹配会产生额外的反射厚度不匹配可能会产生干涉条纹偏振态在各层之间传播也会发生变化怎么解决 - 做好整体光学设计各层参数要匹配 - 选用合适的材料 - 做好工艺控制挑战4厚度控制手机膜的总厚度是有限制的。太厚的话 - 影响触摸手感 - 影响显示效果 - 可能会有白边 - 可能跟手机壳不兼容但功能越多需要的层就越多厚度就越难控制。怎么解决 - 选用更薄的材料 - 优化结构设计一层多用 - 平衡功能和厚度挑战5成本控制好的相位延迟材料、好的镀膜工艺、严格的质量控制…这些都会推高成本。但价格太高消费者接受不了。怎么在保证效果的前提下控制成本是产品化的关键。这需要在材料、工艺、良率等方面不断优化。8. 行业现状与发展趋势聊完了技术我们再看看行业现状。8.1 行业现状目前圆偏振光护眼技术还处于发展初期。市场认知度不高- 大部分消费者还不知道有这种技术 - 很多人还停留在”防蓝光”的认知阶段产品不多- 真正做圆偏振光护眼膜的品牌还不多 - 大部分品牌还是在做传统的防蓝光膜、AR膜质量参差不齐- 有的产品确实有技术效果也不错 - 有的产品只是打着”圆偏振光”的旗号实际效果很差 - 消费者很难分辨代表品牌- 悟赫德算是这个领域做得比较早、也比较认真的品牌。有自己的技术scinique双护协同光学技术还做了用户可验证的检测卡产品参数也比较扎实。8.2 发展趋势虽然还在初期但我们判断圆偏振光护眼技术会是未来的一个发展方向。趋势1从”防”到”优化”的思路转变以前的护眼思路主要是”防”——防蓝光、防反光…但”防”的思路往往会牺牲体验。未来的思路会从”防”转向”优化”——通过技术手段优化光线的形态和质量让它更接近自然光更适合人眼。圆偏振光技术就是这种思路的代表。趋势2复合技术方案成为主流单一技术的效果有限。未来的产品会越来越多地采用复合技术方案。比如”圆偏振光AR镀膜”同时优化内部光线和外部反光效果更全面。趋势3技术透明化现在的行业概念营销太多消费者很难分辨真假。未来会有越来越多的品牌选择”透明化”——让技术可感知、可验证。用户可验证的模式会越来越受欢迎。趋势4应用场景拓展目前圆偏振光护眼主要用在手机膜上。未来应用场景会越来越广 - 平板膜、电脑膜 - 电视屏幕 - 显示器 - 甚至VR/AR设备只要有屏幕的地方就可能有应用。9. 总结与展望最后我们来总结一下偏振光学是显示领域的重要技术从3D显示到屏幕护眼偏振光学都扮演着重要角色。只是因为人眼不能直接感知偏振所以容易被忽视。OLED屏幕发出的是线偏振光这是由OLED屏幕的结构决定的——表面的圆偏振片主要是为了减少环境光反射而不是优化出射光的偏振状态。线偏振光可能加重视疲劳虽然还需要更多研究来验证但理论上和初步实验都表明线偏振光可能会加重眼睛的调节负担影响泪膜稳定性。圆偏振光护眼技术有前景通过1/4波片把线偏振光变成圆偏振光让光线更接近自然光从而缓解视疲劳。原理上说得通也有用户体验支持。技术实现有挑战相位延迟精度、宽波段性能、层间匹配、厚度控制、成本控制…要做好一款产品需要解决很多技术问题。行业还在初期但发展潜力大目前市场认知度不高产品也不多。但随着消费者对护眼的重视以及技术的成熟未来发展潜力很大。