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什么是偏光？光的振动方向及其在光学设计中的意义

偏光是指作为电磁波的光，其电场在特定方向上偏振振动的物理现象。液晶显示器的显示原理、相机偏光镜对反射光的消除、偏光式3D眼镜的立体视觉等，许多身边的光学设备都是以控制偏光为前提设计的。另一方面，偏振光射入具有各向异性的材料时会产生双折射，原本受控的偏光状态被打乱，从而引发图像模糊、干涉条纹等问题。本稿将从偏光的物理定义、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的分类，到偏振片和检偏片的原理、光学设备中的实际应用，再到与双折射的关系进行系统整理。

📌 三行读懂本文

偏光是指光（电磁波）的电场振动方向偏向特定方向的状态。根据振动轨迹可分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光
偏振片与检偏片组合使用时，透射光强度按马吕斯定律I = I₀cos²θ随角度θ变化。液晶显示器和PL滤镜的工作原理均以此为基础
偏振光透过有双折射的光学部件时会产生相位差，使偏光状态被打乱。低双折射设计直接影响利用偏光的光学系统的成像质量

什么是偏光？光振动方向的物理定义

光是一种电磁波，在垂直于传播方向的平面内电场（及磁场）振动并向前传播。自然光源发出的光来自无数原子、分子的无序发光，因此电场的振动方向不偏向特定方向，而是在各个方向上等概率分布，这种状态称为无偏光（自然光）。与之相对，电场振动方向偏向特定方向的光称为偏光（optics-words 什么是偏光）。

若以传播方向为z轴，电场的x分量和y分量可分别表示为Ex = Ex₀cos(kz − ωt)、Ey = Ey₀cos(kz − ωt + δ)。其中δ是两个分量的相位差。这个相位差δ与振幅比Ex₀／Ex₀的组合，决定了电场矢量末端所描绘的轨迹（偏光状态）（techno-synergy 什么是偏光）。

偏光的种类线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光

偏光根据电场矢量末端所描绘轨迹的形状，可分为三种。

当相位差δ为0或π的整数倍时，x分量和y分量的振动同相或反相，电场矢量在一条直线上往复运动，这就是线偏振光。振动面的倾角θ由tanθ = Ey₀／Ex₀求出。

当相位差为δ = ±π/2 + 2mπ（m为整数），且振幅Ex₀ = Ey₀时，从传播方向看，电场矢量末端会描绘出圆形，这就是圆偏振光，根据旋转方向可分为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光。

以上两种都是特殊情况，在相位差和振幅比为任意值的一般条件下，电场矢量末端会描绘出椭圆，这就是椭圆偏振光，线偏振光和圆偏振光都是它的特殊形式（katsura-opto 圆偏振光与线偏振光、optics-words 什么是偏光）。1/4波片和1/2波片是利用双折射材料对两个偏振分量人为施加相位差的光学元件，可以把线偏振光转换成圆偏振光，或者转换成偏振面旋转后的线偏振光（fiberlabs 波片的原理）。

偏振片、检偏片的原理与马吕斯定律

从无偏光或任意偏光状态的光中只取出特定方向线偏振光的光学元件称为偏振片。若用同一元件来分析已透过的线偏振光的振动方向，则称为检偏片（ipros 光的偏光）。

让透过偏振片的线偏振光射入透射轴倾斜了角度θ的检偏片，透射后的光强I与入射光强I₀之间满足

I = I₀cos²θ

这就是马吕斯定律（日本Three-B Scientific 马吕斯定律）。θ = 0°（透射轴平行）时I = I₀，光直接透过；θ = 90°（透射轴垂直）时I = 0，光被遮断。液晶显示器的明暗控制、PL滤镜的效果调节，都是利用了这种角度依赖性。

身边光学设备中偏光的应用

液晶显示器

液晶面板的基本结构是在两片透射轴相互垂直的偏振片之间夹入液晶层。未加电压时，扭曲的液晶分子会把偏振面旋转90°，光可以透过另一侧的偏振片；加电压后液晶分子取向排列，偏振面不再旋转，光被遮断。通过这种透过与遮断的切换来控制像素的明暗（夏普液晶显示器的原理、东京理科大学古江研究室 TN盒与偏光）。

相机偏光镜（PL滤镜）

水面或玻璃表面的反射光具有这样的性质：入射角越接近布儒斯特角，偏振程度越强（optics-words 布儒斯特角）。PL滤镜内部的偏光膜可以旋转透射轴，让该轴与反射光的振动方向垂直，从而有选择地削弱反射成分，使水下被摄体或天空的颜色拍得更清晰（Canon PL滤镜）。

偏光式3D眼镜

偏光式3D影像是将左眼、右眼画面分别以不同的偏光状态投影，再用配备相应偏光滤镜的眼镜分离显示的技术。目前主流是圆偏振方式，用右旋圆偏振光和左旋圆偏振光分别对应左右眼。圆偏振光即使歪头也不会改变旋转方向，因此相比线偏振方式，观看姿势的自由度更高（AV Watch 偏光方式的3D立体视觉）。

与双折射的关系扰乱偏光状态的因素

线偏振光透过折射率具有各向异性的物质（双折射性物质）时，寻常光和异常光之间会产生相位差（延迟）R = Δn × d。由于这个相位差，透射后的光通常会变成椭圆偏振光。偏光状态会随相位差的大小连续变化：相位差恰好为1/4波长时接近圆偏振光，为1/2波长时则变成偏振面旋转后的线偏振光。也就是说，双折射会在并非刻意设计的波片部位，意外地成为扰乱偏光状态的因素。

偏光显微镜的正交偏光观察正是利用了这一性质的测量方法。将偏振片和检偏片（尼科尔棱镜）配置成透射轴相互垂直时，无色透明且不具有双折射的样品无法透光。但如果夹入具有双折射的样品，透过光的偏光状态会被打乱，从而能部分穿过检偏片，被观察为干涉色（J-STAGE 偏光显微镜的原理与结构）。这就是为什么评估光学部件的双折射时会用到偏光显微镜。

光学树脂中双折射之所以成为问题，是在液晶显示器、HUD（平视显示器）、AR眼镜这类以控制偏光为前提的光学系统中。关于双折射的物理原理、取向双折射和应力双折射的产生机理、各树脂的比较、成型时的应对方法，双折射说明文章（什么是双折射｜iupizeta.mgc.co.jp）中有详细介绍。另外，双折射造成的偏光紊乱不会体现在全光线透过率、雾度等透明性指标上。这些指标之间的区别在另一篇文章（全光线透过率与雾度的区别｜iupizeta.mgc.co.jp）中有解说。

Iupizeta®EP的定位低双折射对偏光相关光学系统的适用性

三菱瓦斯化学的光学树脂“Iupizeta®EP”通过特殊的分子设计将双折射降到极低水平（Iupizeta®EP产品信息）。如前所述，双折射是扰乱偏光状态的因素，因此低双折射对于在以偏光控制为前提的光学系统中保持成像质量是有利特性。产生机理及树脂间比较在双折射说明文章（什么是双折射）中有介绍。

该产品提供折射率(nd)1.616~1.671、阿贝数(νd)19.2~25.8范围的牌号，预期用途包括智能手机摄像头镜头、车载摄像头、各类光学设备用精密镜头（Iupizeta®EP产品信息）。在提高折射率往往也会增加双折射这一权衡关系中，保持低双折射的设计，值得在利用偏光的精密光学系统材料选用中重点考虑。

总结

偏光是指光的电场振动方向偏向特定方向的状态，可分为线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光。偏振片与检偏片的组合按照马吕斯定律控制光量，支撑着液晶显示器、PL滤镜、偏光式3D眼镜等身边光学设备的工作原理。另一方面，偏振光透过具有双折射的材料时会产生相位差，使偏光状态被打乱。在利用偏光的光学系统的材料选用中，抑制双折射是决定成像质量的重要设计要素。