什么是双折射？光学树脂中像质劣化的原因与对策

双折射是指光在通过物质时，折射率因偏振方向不同而产生差异，进而引发图像模糊、重影、彩虹状干涉条纹等光学畸变的现象。在液晶显示器、拾取镜头、HUD（平视显示器）与AR眼镜等需要处理偏振光的光学系统中，双折射是无法回避的设计课题。本文面向光学设计人员与材料采购人员，从双折射的物理原理、不同树脂之间的对比，到注塑成型中的产生机理与应对措施，进行系统梳理。

📌 三行速览摘要

• 双折射是折射率各向异性导致光分为两个方向的现象（以 Δn = nₑ − nₒ 表示）
• 在光学树脂中，取向双折射（流动导致的分子取向）与应力双折射（残余应力＝光弹性）两个体系会同时产生
• PC的光弹性系数约为PMMA的10倍，对应力非常敏感。在追求低双折射的设计中，树脂选型起着决定性作用

什么是双折射

折射率存在各向异性时光会分为两束

双折射是指光线透过具有各向异性的物质时，因偏振方向不同而分为两束折射光的现象。从数学上，它以寻常光线折射率 nₒ 与非寻常光线折射率 nₑ 之差表示，即 Δn = nₑ − nₒ。

在各向异性物质中，光的传播速度随振动方向而异，因而会产生相位差（延迟量）。相位差 R 为双折射 Δn 与厚度 d 的乘积，即 R = Δn × d，通常以纳米为单位进行评价。

晶体与高分子的产生方式不同

天然的方解石和水晶因晶体结构本身具有各向异性，本质上就具有双折射性。而本应呈各向同性的高分子树脂，也会因成型时的分子取向和残余应力而后天产生双折射。这就是光学树脂中成为问题的“成型引起的双折射”。

双折射产生的机理

光学树脂的双折射，是由起源不同的两种机理同时进行而产生的。

取向双折射——分子链沿流动方向排列

在注塑成型中，熔融树脂高速流入模具型腔。此时高分子链沿流动方向被拉伸，并在冷却过程中将其取向“冻结”下来。取向后的分子链在其方向与垂直方向上折射率不同，因而产生取向双折射。

取向双折射由取决于分子结构本身的固有双折射，以及取决于取向度、源于成型条件的成分共同决定。

应力双折射（光弹性）——残余应力使折射率发生畸变

成型件在冷却过程中，由于壁厚差异和模具温度不均，内部会残留应力。处于应力状态下的非晶性树脂各向同性被破坏，并按应力大小成比例地表现出双折射。这就是应力双折射，而双折射对应力的比例系数即为光弹性系数（C）。

根据布儒斯特定律，双折射与主应力差成正比。光弹性系数的单位以 Brewsters 表示（1 Brewster = 10⁻¹² Pa⁻¹）。

光学树脂的双折射比较

以下为代表性光学树脂光弹性系数的大致参考值。由于具体数值会因牌号、测定条件和波长而有所不同，设计时请务必参阅所用牌号的TDS（技术数据表）。

Opti 521 Plastic Optical Materials Tutorial (Univ. of Arizona)、

PC在透明性、耐热性和尺寸稳定性方面表现优异，但光弹性系数较大、易产生应力双折射，因此在光盘拾取镜头等需要处理偏振光的用途中，如何设定设计裕度成为一大课题。

双折射造成的实际危害

在处理偏振光的光学系统中，双折射会表现为具体的性能劣化。

液晶显示器

液晶面板通过控制偏振光来显示图像。若光学薄膜或前面板存在双折射，就会出现色斑、对比度下降和重影。在智能手机、平板电脑、电视等面向显示器的光学树脂中，低双折射是基本前提。

光学拾取镜头

CD、DVD、Blu-ray等光盘的读写需要使用波长较短的激光和偏振控制。镜头内若存在双折射，焦点位置就会偏移，成为读取错误或写入不良的原因。

HUD与AR眼镜

平视显示器（HUD）和AR眼镜在虚像投影和导光板中大量使用偏振光。从显示元件到人眼之间所经过的树脂部件如果存在双折射，就会导致亮度不均、图像发虚、色偏等显示品质的下降。

半导体、FPD制造设备的光学部件

半导体曝光设备和FPD制造设备的检测光学系统同样处理偏振光，因此对光学树脂部件的双折射管理提出了要求。

在注塑成型中抑制双折射的方法

在光学树脂的注塑成型中，需要同时抑制取向双折射与应力双折射的方法。

成型条件的优化

主要对策可归纳为以下5点。

• 将树脂温度设定得较高以降低粘度，减少流动取向
• 将模具温度保持得较高，防止急冷导致的应力冻结
• 将充填速度设定得较慢，缓解剪切引起的分子取向
• 优化保压时间与冷却时间，降低残余应力
• 重新审视浇口位置与形状，控制流动取向的方向与分布

成型条件的调优往往存在诸多权衡，降低双折射时有时会引发其他缺陷（缩痕、缺料）。

树脂选型才是最终的决定因素

仅靠成型条件来抑制双折射存在局限，根据用途选用低双折射树脂才是本质性的解决之道。光学级COP/COC、经过低双折射设计的PC共聚物、专用设计树脂等都是可供选择的方案。

测定与评价

树脂折射率的测定已由 JIS K 7142:2014（塑料—折射率的求法）标准化，采用阿贝折射仪的临界角法为主要方法（JIS K 7142:2014）。双折射与延迟量的定量评价则使用偏光显微镜或相位差计。

Iupizeta EP 的低双折射设计

从分子设计实现低双折射

三菱瓦斯化学的光学树脂“Iupizeta EP”以聚碳酸酯结构为主骨架，通过特殊的分子设计成功将双折射降至极小。凭借抑制折射率各向异性的独有分子设计，据称可获得无发虚、清晰锐利的画质。

▼代表性牌号（节选）

※ 为测定值，并非规格值。

高折射率、低双折射、高耐热三位一体

在光学树脂中，一般会出现“提高折射率则双折射也随之增大”“提高耐热性则成型性下降”之类的权衡。Iupizeta EP的特点在于兼顾了高折射率（最高 nd 1.671）、低双折射与 Tg 140〜145℃ 的耐热性，其产品阵容着眼于智能手机摄像头镜头、HUD、AR眼镜、车载光学系统等既需要偏振控制又暴露于发热环境的用途。

总结

双折射由取向双折射与应力双折射（光弹性）两个体系产生，直接左右着光学树脂的成像品质。在树脂选型中，掌握包括光弹性系数在内的光学物性至关重要，而成型条件的优化与低双折射树脂的采用则是相辅相成的两个环节。对于同时要求高折射率、低双折射与高耐热的光学用途而言，易于确保设计裕度的专用设计光学树脂是现实的解决方案。

关于 Iupizeta EP

Iupizeta EP是三菱瓦斯化学开发的光学树脂，具备折射率1.616〜1.671、阿贝数19.2〜25.8、Tg 140〜145℃ 的宽广光学与热物性范围，并凭借独有分子设计实现了低双折射这一特色。

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Iupizeta EP官方网站