偏光镜片的原理及应用

偏光镜片的原理及应用

作者：张瑶瑶

作者单位：天津理工大学

摘要：生活中，有太多的光源会产生有害的光线，偏光镜片具有将光偏极化的功能，能将有害光线阻隔却不影响可视光的透过，具有防紫外线、降低光强和有效滤除眩光的作用，从而真正达到保护眼睛的作用。本文阐述了偏光镜片的工作原理及其在各个方面的应用。

关键字：偏光镜片眩光偏极化

Principle and application of polarized lens Abstract:Life, there are too many light sources will produce harmful light, polarized lenses will light polarization functions can be harmful light barrier does not affect visual light through, with anti - ultraviolet radiation, reduce the glare of light intensity and effective filtering with and thus truly achieve the role of eye protection. In this paper, the working principle and the application of polarized lenses in all aspects are described in this paper.

Key words: polarized lens glare polarization

引言：随着人们对生活需求的增大，外出时阳光中的紫外线和从凸凹不平的路面和水面产生的眩光会使人眼感到不适，产生疲劳，并影响视物的清晰，同时也影响拍照效果。根据光线的偏振原理制作而成的偏光镜片通过有选择的过滤某个方向的光线，可以有效滤除光束中的散射光线，隔绝大量紫外线和过滤偏振光，达到提高色彩饱和度、边缘清晰度、有效识别颜色和减少紫外线照射进入瞳孔的作用。偏光镜可用于光学研究，而在生活中，偏光镜多用于太阳镜和照相机镜头。

偏光（polarized light）又称偏振光。振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。

按照其性质,偏振光又可分为平面偏振光（线偏振光）、圆偏振光和椭圆偏振光、部分偏振光几种。如果光波电矢量的振动方向只局限在一确定的平面内，则这种偏振光称为平面偏振光，若轨迹在传播过程中为一直线，故又称线偏振光。如果光波电矢量随时间作有规则地改变，即电矢量末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形,则称为圆偏振光或椭圆偏振光。如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定的方向上占有相对优势，这种偏振光就称为部分偏振光。

偏光器件是光学调制器中的重要光学器件,在激光应用技术、光信息处理以

及成像系统中有着广泛的应用。偏光器件的作用是将非线偏振光变为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光,或完成光偏振态间的相互转换。[1]

能够滤除偏振光的滤镜叫做偏光镜。偏光镜由两片光学玻璃着夹一片有定向作用的微小偏光性质晶体（如云母）组成。还有另一种制造方法，两片光学玻璃之间的夹层涂有聚乙烯膜或聚乙烯氰一类的结晶物，这一聚合物涂层可产生极细的栅栏状的结构，好像是一道细密的栅栏，只允许振动方向与缝隙相同的光通过。再将这两片玻璃各自独立地安装在可以旋转的环圈里，通过旋转其中一镜片便可以消除被摄物体表面的偏振反射光。这层涂膜会逐渐老化失效，而且受潮、撞击和震动也会缩短使用寿命。

偏光镜是根据光线的偏振原理制造的镜片，用来排除和滤除光束中的散射光线，使光线能于正轨之透光轴投入眼睛视觉影像，使视野清晰自然。就入射面为主截面的情况,分析了入射角对平行分束偏光镜剪切差的影响规律,从而得出一种当入射角在一定范围内变化时,剪切差对入射角不敏感的平行分束偏光镜的设计方法,并且这种设计是消色差的。[2]

偏光镜除了运用在各种光学实验中，也走进了人们的生活中，最典型的应用就是照相机镜头和偏光太阳镜。

照相机使用的偏光镜分为两种，线偏光镜（PL镜）和圆偏光镜（CPL镜）。

线偏光镜外观呈灰色，它能让与其偏振方向同向的线偏振光通过约80%，而令与其偏振方向垂直振动的线偏振光透过不足1%。圆偏光镜的外观也呈灰色，是由一片线偏光镜与一片四分之一波片（为特殊双折射材料）胶合而成。该四分之一波片的光轴与线偏光镜的偏振光振动方向形成45°角。光线自线偏光镜一段射入为正向，自四分之一波片一端射入为反向。正向射向圆偏光镜的自然光，先后通过线偏光镜和四分之一波片后，即成为圆偏振光。圆偏振光的生成机理,旋转方向的控制方法与相关切换装置,圆偏振眼镜的结构及其应也可用于3D立体影像显示的优越性。[3]圆偏振光对于绝大多数光学元件来说，与非偏振光没有什么区别，所以圆偏光镜可以在任何相机上使用。

如何区分线偏光镜和圆偏光镜？

把偏光镜安装镜头的一方靠近眼睛，透过偏光镜看非金属的反光。转动偏光镜到某个角度，反光会明显减弱甚至消失。把偏光镜反过来作同样的实验，PL 镜会看到同样的结果，而CPL镜就和普通的墨镜差不多。如果把两个线偏光镜重叠起来，转动到互相垂直的方向，透过头一个偏光镜的偏振光会被第二个偏光镜完全滤除，效果是完全不透光。转动其中的一个，透光率会逐渐增加，好像一个可变灰度镜。前面的偏光镜如果是CPL，就看不到这个现象。

偏光镜一般是用经碘浸染加工过的聚乙烯醇膜，胶合在二片平板光学玻璃之间制成的。它由镜片主体和一个与其相连并可以旋转的后座框组成。镜片主体由

极细的水晶玻璃组成光栅。旋转时，此光栅将阻挡那些与它不平行的偏振光线。因此，偏光镜能够控制和选择一些记录在胶片上的与它平行的反射光（此反射光为偏振光)的数量，以达到消除眩光，保持画面完整性的效果。

圆偏振光和平面偏振光，而这两种偏振光都是椭圆偏振光的特殊情况。迎着光的传播方向观察，光振动矢量逆时针方向旋转的叫做右旋椭圆偏振光，顺时针方向旋转的叫做左旋椭圆偏振光。[4]

当需要将消除景物上的杂色，透过玻璃拍摄后面的东西，或者水面反光拍摄水中物体时和想消除物体表面的反光拍摄静物时。普通的照相机不能完成，就需要在照相机镜头前安装偏光镜来削弱反射光和偏振光，以降低背景杂光对摄影主题的干扰。

普通的偏光镜叫做线偏光镜（PL镜）。把偏光镜装到镜头的前端，仔细旋转偏光镜，使得有害眩光减至最小甚至消失，这样就能拍摄出没有眩光的照片，景物光线会变暗。因为偏光镜不止滤掉了偏振光，还把非偏振光中的与偏振光振动方向相同的部分也滤掉了。所以，使用偏光镜以后，一般要增加一档以上的曝光量。

如果需要分色偏振光摄影,就要将一块滤光镜和一块偏光镜叠在一起使用。这样既麻烦,又有可能遇到滤光镜和偏光镜接口不同的情况,而且有阻光率大和曝光补偿倍数大的缺点。为了弥补上述缺陷,我们研制出红、绿、蓝、黄4种彩色偏光镜。偏振片厚度为0.1mm,彩色玻璃片厚度为0.6mm,透明玻璃片厚度为0.8mm,总厚度为1.5mm。彩色玻璃片和透明玻璃片均采用光学玻璃。[5]

要使偏光镜既能滤掉有害的偏振光，又能使经过偏光镜进入镜头的光线成为非偏振光，这种情况下就要使用圆偏光镜（CPL镜）。圆偏光镜可以消除有害的反射光，提高影像的清晰度和表现力。消除反射光，消除从水面或玻璃等光泽表面反射的光线。增加色彩饱和度，能够使蓝天、绿叶、山脊和建筑等的色彩更鲜艳。

在我们的日常生活中，除了阳光和紫外线以外，光线通过凸凹不平的路面、水面等地方时会产生不规则的漫反射光,俗称“眩光”。眩光的出现会使人眼感到不适，产生疲劳，并影响视物的清晰。

生活中，有太多的光源会产生有害的光线，尤其是太阳光，太阳光里散发出来的光线有：可视光线、红外线、紫外线等三种。通常人们佩戴的普通太阳镜只能降低光的强度,却不能有效清除亮面的反光和四面八方的眩光。

而偏光镜除了防紫外线和降低光的强度以外，还可以有效滤除眩光，起到防眩晕的作用。偏光太阳镜因为具有将光偏极化的功能，所以能将所有之有害光线都阻隔掉却不影响可视光的透过，能够真正达到保护眼睛的功用。

偏光镜片结构由七层薄片合成，最外面两层是超硬的耐磨层，第二、六层是

防碎强化层，第三、五层是紫外线过滤层，最中间一层是偏光过滤层。

紫外线吸收层被紧压在偏光膜层的两侧，它们可以有效过滤有害的UVA、UVB、UVC紫外线，PTX高能吸收层紧压在UV子湾线吸收层之外，使得镜片具有材质轻巧、耐冲击、不易碎的特征性，最后，在镜片的内外表面附加一个耐刮蹭加硬层。

偏光过滤层是根据光线的偏振原理制成的，其材料是由竖直分子组成（百叶窗的原理），可以过滤掉耀眼的反射光和散射光，使凌乱的的光线变成平行光线进入眼睛，从而具有消除眩光的功能，更有效消弱强光，使视野更加清晰。

偏光过滤层的原理：将光可以看作是由一些微小的波构成的。这些波可以在任何一个平面上振动。在一个特定的光束中，有些波可以上下振动,有些波左右振动，有些波则沿对角方向振动。它们的振动方向可能均匀地分布在所有各个方向上，没有一个振动平面占优势或者在光波中比其他平面占有更大的份额——普通的太阳光或电灯泡的光都是这样。

可是,现在让我们设想光穿过一块透明的晶体。晶体是由排成规整的行列和平面的原子或原子团构成的。因此，光波会发现，当它的振动平面恰巧能塞进两个原子平面之间时它就很容易通过这块晶体。要是它的振动平面与原子的平面成一个角度，它就会撞在原子上。因此，光波就要消耗很多能方能继续振动下去。这样的光就会被局部或全部被吸收掉。

通俗的说偏光镜就是起到百叶窗的作用，把强光遮挡住让人们看实物看得更清晰。在日常生活中不管是航海、户外活动、夜间开车您都可以配戴偏光镜。

偏光镜片具有偏光性质，所以可完全阻隔因散射、屈折反射等各种因素所造成之刺眼的眩光。同时也能将对人眼有害的紫外光线完全阻隔，使人在强光下长期活动时，眼睛不易疲倦，达到真正保护的功能，而且能让看见的东西更清晰、立体。

偏光太阳镜因为具有将光偏极化的功能，所以能将所有之有害光线都阻隔掉却不影响可视光的透过，能够真正达到保护眼睛的功用。偏光太阳镜除了基本的防紫外线功能外，还具有防眩光、路面反射光线、水面鳞光等，适合驾驶、钓鱼、旅游、日常佩戴。

偏光镜片是全球公认最适合驾驶的镜片。光由物体表面反射时已部分被偏振而产生眩光。眩光的反面作用——增强亮度、减弱色彩饱和度；使物体轮廓变得模糊不清，使眼镜疲劳、不适。偏光片使根据光线的偏振原理制成，具有效消除眩光的特殊功能，过滤杂乱无章的光线，令驾驶者改进视觉，增添驾乘乐趣。

而偏光镜片也分等级，光学级则为太阳镜片的最高级别，它要求镜片“球面度”及散光度为“o”，更要求平光曲光度符合欧洲标准ce，snail偏光镜片能保证长时间开车的人士保持最佳的视觉感受。

偏光镜不但能在夏天阻挡强光，开车时能给驾驶员良好的视野，在医学方面也有很好的作用。在激光手术过后，很多患者会出现畏光的症状，医生建议，如果在室外活动，可以佩戴偏光太阳镜。

偏光太阳镜可根据用途可以分为：滑雪镜，钓鱼镜，偏光驾驶镜，户外运动镜，高尔夫眼镜。

偏光太阳镜因为能够100%阻隔有害光线，故其可应用在一下两种方面：

医疗行业中，可用于眼睛手术患者，需要全方位的保护，偏光太阳镜是最好的选择。在户外活动中，如滑雪、钓鱼、水上活动等，都需要能完全阻隔有害光线的太阳镜，以避免眼睛受伤或疲劳。

如何鉴别偏光太阳镜和普通太阳镜？

方法一：一部液晶显示屏手机，透过偏光太阳镜片观察液晶屏幕，同时旋转屏幕，看到的液晶屏幕随着偏光太阳镜片的旋转而变黑屏，这是因为偏光太阳镜片过滤了屏幕发出的散射方向的光导致的

方法二：在户外，偏光镜的作用明显，可用于辨别偏光太阳镜与普通太阳镜。在阳光充足的白天驾驶汽车，从路面或周围建筑物的玻璃上反射过来的耀眼的阳光，常会使眼睛睁不开。由于光是横波，所以这些强烈的来自上空的散射光基本上是水平方向振动的。因此，只需带一副只能透射竖直方向偏振光的偏振太阳镜便可挡住部分的散射光。

除了以上两种用途，偏光镜还可应用与测定透明至半透明的宝石的光性、轴性和多色性。

参考文献：

[1]邓红艳，棱镜型偏光器件的光谱特性，曲阜师范大学，2006年

[2]吴福全，李国华，宋连科，代作晓;激光高效偏光镜的研究[J]，中国激光，1995年01期

[3]孙延禄，关于圆偏振光在3D立体影像显示中的应用——对《3D立体影像显示方法丛谈》的补充诠释[A]，《2011中国电影电视技术学会影视技术文集[C]》，2011年

[4]贺玲凤，椭圆偏振光旋向问题的分析，《第十二届全国实验力学学术会议论文摘要集》，2009年

[5]杨玉柱，朱宝礼，潘国光，高松，彩色偏光镜的研制与应用，《中国刑警学院学报》，1994年01期