偏極光與偏光膜的基本原理
   
    大多數的人仍然對偏光膜這個名詞感到陌生而不很清楚，故在此先對偏極光的現象及基本原理稍做說明。

偏極光

人類對光的瞭解依序可分成以下四個重要階段：
1.十七世紀中，牛頓首先開始對光做有系統的研究，他發現到所謂的白光(White Light)是由所有的色光(Colored Light)混合而成。為了要解釋這個現象，就有許多不同的理論衍生出來。
2.十九世紀初，楊氏(Thomas Young)利用波動理論成功的解釋了大部分的光學現象如反射、折射和繞射等。
3.1873年，馬克斯威爾發現光波是電磁波，其中它的電波和磁波是相依相存不能分開的，電場(E)、磁場(H)與電磁波進行的方向(k)這三者是呈相互垂直的關係。

圖1

 
4.二十世紀初，愛因斯坦發現光的能量要用粒子學說才能解釋，因而衍生出量子學。換言之，光同時具有波動及粒子兩種特性。
    因為偏極光的理論是用波動學來解釋的，所以往後的討論都將光視為電磁波，並且為了簡化易懂，我們只考慮其電場向量E。非偏極光的E可以用圖2表示，圖2中許多對稱等長的輻射線表示E在E、H所組成的平面上振動，並且在各方向振動的機會均等。當E的分佈不均時就稱之為偏極化(Polarization)，如圖3所示為部份偏極光，當E只在一個方向振動時則稱之為線性偏極光(圖4)。從向量的觀點來看，當圖2中各方向的向量投影到X和Y兩個相互垂直的坐標軸上後，非偏極光可以分解為兩條相垂直的線性偏極光(圖5)。

圖2：非偏極光
 

圖3：部份偏極光

 
圖4：線性偏極光
 

圖5：相互垂直的線性偏極光

 

偏極光的製造

一般而言，製造偏極光的方法是由以下三個步驟：
1.製造普通非偏極光(圖2)。
2.分解此非偏極光為兩個相互垂直的線性偏極光(圖5)。
3.捨棄一條偏極光，應用另一條偏極光(圖4)。
能將非偏極光分解為兩條偏極光，而捨棄其一的儀器稱之為起偏器(Polarizer)，起偏器可以利用如吸收、反射、折射、繞射等光學效應來產生偏極光。

一般較常用的起偏器種類有以下數種：

(1) 反射型
當光線斜射入玻璃表面時，其反射光將被部分偏極化。利用多層玻璃的連續反射效果即可將非偏極光轉為線性偏極光。

(2) 複屈折型
將兩片方解石晶體接合，入射光線會被分解為兩道偏極光，稱為平常光與非常光。

(3) 二色性微晶型
將具有二色性的微小晶體有規則地吸附排列在透明的薄片上，這是人工第一次做出偏光膜的方法。

(4) 高分子二色性型
利用透光性良好的高分子薄膜，將膜內分子加以定向，再吸著具有二色性的物質，此為現今生產偏光膜最主要的方法。這類吸收式的起偏器都是以膜(Film)或是板(Plate or Sheet)的形式存在，因此，通常又稱之為偏光膜(Polarizing Film)或偏光板(Polarizing Plate or Sheet)。英文上另外一個更通俗的稱呼是Polarizing Filter。

偏光膜的起源

    偏光膜是由美國拍立得公司(Polaroid)創始人蘭特(Edwin H. Land)于1938年所發明。六十年後的今天，雖然偏光膜在生產技巧和設備上有了許多的改進，但在制程的基本原理和使用的材料上仍和六十年前完全一樣。因此，在說明偏光膜的制程原理之前，先簡單的敍述一下蘭特當時是在什麼情況下得到靈感，相信這有助於全面瞭解偏光膜的制程。
蘭特於1926年在哈佛大學念書時看了一篇由英國的一位醫生Dr. Herapath在1852年發表的論文，內容提到Dr. Herapath的一位學生Mr. Phelps曾不小心把碘掉入the solution disulfate of quinine，他發現立即就有許多小的綠色晶體產生，Dr. Herapath於是將這些晶體放在顯微鏡下觀察，發現如下圖所示：當兩片晶體相重疊時，其光的透過度會隨晶體相交的角度而改變，當它們是相互垂直時，光則被完全吸收(圖6)；相互平行時，光可完全透過(圖7)。

圖6：光被完全吸收
 

圖7：光可完全透過
 

    這些碘化合物的晶體非常小，所以在實際應用上有了很大的限制，Dr. Herapath花了將近十年的時間來研究如何才能做出較大的偏光晶體，可是他並沒有成功。因此，蘭特認為這條路可能是不可行的，於是他採用了以下的方式：
●蘭特把大顆粒晶體研磨(ball mill)成微小晶體，並使這些小晶體懸浮在液體中。
●將一塑膠片放入上述的懸浮液中，然後再放入磁場或電場中定向。
●將此塑膠片從懸浮液中取出，偏光晶體就會附蓋在塑膠片的表面上。
●將此塑膠片留在磁場或電場中，乾燥後就成為偏光膜。
    蘭特的方法是將許多小的偏光晶體，有規則的排列好，這就相當於一個大的偏光晶體。他應用上述的方法，在1928年成功的做出了最早問世的偏光膜、J片。這種方法的缺點是費時、成本高和模糊不透明。但蘭特已經發現了製造偏光膜的幾個重要因素：(1)碘 (2)高分子 (3)定向(Orientation)。經過不斷的研究改進，蘭特終於在1938年發明了到現在還在沿用的製造方法，其基本原理將於下節中討論。

偏光膜的工作原理

    時下最通用的偏光膜是蘭特在1938年所發明的H片，其制法如下：首先把一張柔軟富化學活性的透明塑膠板(通常用PVA)浸漬在I2 / KI的水溶液中，幾秒之內許多碘離子擴散滲入內層的PVA，微熱後用人工或機械拉伸，直到數倍長度，PVA板變長同時也變得又窄又薄，PVA分子本來是任意角度無規則性分佈的，受力拉伸後就逐漸一致地偏轉於作用力的方向，附著在PVA上的碘離子也跟隨著有方向性，形成了碘離子的長鏈。因為碘離子有很好的起偏性，它可以吸收平行於其排列方向的光束電場分量，只讓垂直方向的光束電場分量通過，利用這樣的原理就可製造偏光膜(如圖8)。

圖8

 
偏光膜的種類及發展

現今所使用偏光膜的種類
    偏光膜的應用範圍很廣，不但能使用在LCD做為偏光材料，亦可用於太陽眼鏡、防眩護目鏡、攝影器材之濾光鏡、汽車頭燈防眩處理及光量調整器，其他尚有偏光顯微鏡與特殊醫療用眼鏡。為了滿足輕量化及使用容易的要求，所以偏光膜的選擇以高分子二色性型為主，這型起偏材料的種類有四：
(1) 金屬偏光膜
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，現在已不使用這種方法生產。
(2) 碘系偏光膜
PVA與碘分子所組成，為現今生產偏光膜最主要的方法。
(3) 染料系偏光膜
將具有二色性的有機染料吸著在PVA上，並加以延伸定向，使之具有偏光性能。
(4) 聚乙烯偏光膜
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，使之具有偏光性能。

偏光膜的構造
    高分子膜在經過延伸之後，通常機械性質會降低，變得易碎裂。所以在偏光基體(PVA)延伸完後，要在兩側貼上三醋酸纖維(TAC)所組成的透明基板，一方面可做保護，一方面則可防止膜的回縮。此外，在基板外層可再加一層離型膜及保護膜，以方便與液晶槽貼合(