偏振光，手机屏幕清晰显示全靠它
随着社会信息化水平的飞速演进，以智能手机为代表的通信设备，开始大规模占据电子消费市场。对很多消费者来说，除了丰富的应用功能， 那块炫彩明亮的触摸大屏，更是对智能手机“一见倾心”的直接原因。智能手机的屏幕发展，先后经历了“液晶显示 (LCD)”和“有机发光半导体显示 (OLED)”等两代。相较于由背光光源和液晶层叠构成的LCD，OLED的整体厚度可以做得更加轻薄；且OLED屏幕的每个像素点均为发光二极管，因此能够拥有更高的对比度，以及更加丰富的色彩体验。此外，近些年来在智能手机上备受关注的“屏幕指纹解锁”，也只有可穿透光线的OLED材质才能实现。这些技术优势使得OLED强势“统治”了中高端智能手机屏幕市场。
图1 因具有更高的对比度和更加丰富的色彩体验，OLED受到了更多手机制造商的青睐
如图2 (b) 所示，从组成结构上看，一块OLED屏幕通常会由玻璃基板、有机发光层、电极、电子及空穴传输层等部分组成，而位于发光层上的阴极，往往是具有高反射率的金属良导体。这种设计结构相较于LCD（图2 (a)）而言更加轻薄。但同时带来了一个无法忽视的问题：当外界光线照射到屏幕表面后，会因受到阴极的反射而出射；当屏幕持有者身处户外时，从屏幕上反射出的光，将比有机发光层产生出的光更强，这将使得屏幕实际的显示效果大打折扣。 降低OLED屏幕光线反射影响，增强室外可视性，由此成为了关键问题。
图2 组成结构示意图：(a) LCD屏幕; (b) OLED屏幕
随着技术研发的不断深入，有很多有效减弱反射光的技术方案被提出，例如在阴极表面加上吸光物质、增强有机发光层亮度、降低屏幕平整度等，尽管能够在一定程度上产生优化作用，但要将这些方案综合起来，实现全方面的可视性提升，仍然存在技术及成本方面的困难。在这种困境下，利用偏振片来减弱反射光的方法，以极低的成本和较低的实现难度脱颖而出；顾名思义，这种方法需要在阴极之前加入由线偏振片和圆偏振片组成的偏振模组。
如图3所示，当一束无偏振的自然光入射到OLED屏幕表面时，会先因穿过90°线偏振片而成为线偏振光，线偏振光穿过45°圆偏振片，变成135°的圆偏振光。圆偏振光被反射后旋向改变，再次经过圆偏振片后，会转化为180°线偏振光；此时线偏振光的偏振方向与偏振片垂直，因此会被 “扼杀”在屏幕内。与此同时，偏振模组也会将有机发光层产生的自然光，转化为线偏振光输出（自然光经过1/4相位延迟片仍然为自然光，自然光经过线偏振片，被转化为线偏振光）。
图3 偏振片阻拦自然光反射的原理示意图
线偏or圆偏：从护眼的角度看，究竟该选谁？
从发光原理的角度来看，所有的LCD屏幕以及应用了偏振模组的OLED屏幕输出均为偏振光，但对于人眼来说，若不借助类似偏振片的辅助手段，根本无法区分光线的偏振。自然界中，所有被反射的光均具有偏振。 可以说，人类无时无刻不在看着偏振光！而线偏振光与圆偏振光究竟谁能够对眼睛产生更加明显的保护作用，这也是一个颇具热度的话题。
从偏振方向来看，圆偏振光的电场矢量在传播方向上呈圆形旋转（可看作两垂直线偏振光的叠加），相较于线偏振光更加接近自然光。2016年，来自北京市眼科研究所的研究，给出了圆偏振光对人眼更加友好的一项重要参考： 相较于线偏振光，在长期观看圆偏振屏幕时，人眼眨眼的频次相对更低， 因此产生的视觉疲劳也会较轻。
表1 人眼疲劳程度线、圆偏振对照测试组[1]
既然圆偏振显示屏能够在一定程度上缓解视觉疲劳，那么 为何直至今日，才有手机厂商宣布使用圆偏振 屏幕，难道真是因为它的制备，具有很大的技术难度？若对电子消费市场有所了解，你一定知道，圆偏振电视已经作为一项成熟的产品，走进了千家万户：早在2008年，TCL就已官宣了圆偏振光液晶电视技术，而以LG为代表的国际屏幕研制巨头，也早早开启了圆偏振显示器的产销布局。可以说，圆偏振屏幕并非难以制备得到的复杂产品。
图4 旋转偏振片对圆偏振电视输出表现没有任何影响
那么在这里，我们就 从光学的角度出发，和大家聊聊手机屏幕今年才用上圆偏振技术的一些原因：从光学的视角来看，想要实现圆偏振光输出，最简单的方法便是在已有偏振模组的上方，再加入一块1/4玻片；但引入波片的代价，在于需要接受其自身存在的消光比；也就是说， 相同的亮度，圆偏振屏幕需要消耗更多电能才能达到，对于需要兼顾续航属性的手机来说，这是一个难以解决的技术痛点。但根据今年旗舰手机的部分爆料信息，我们发现，这个困扰手机厂商多年的问题， 似乎得到了答案——更高效率的发光材料。更高效率的有机发光材料，意味着1/4玻片消光比对屏幕亮度产生的损耗，能够在一定程度上得到补偿；同时，更大容量的电池，也能够在电能供应的角度，支持圆偏振光屏幕的长时间工作。
因此，我们认为： 新发光材料+大容量电池，共同交出了圆偏振手机屏幕的首份精彩答卷。当然，也欢迎大家在评论区里畅所欲言，聊聊你的看法！
图5 部分旗舰手机屏幕爆料宣传图: (a) IQOO 13; (b) Redmi K80.
对于人眼健康保护来说，除了偏振，手机屏幕还需要同时具备很多优秀性能，比如良好的调光手段（高频PWM或DC调光）、蓝光防护、自适应亮度调节以及更高分辨率表现等。但与其去对比越来越“卷”的性能参数来护眼，还不如多放下手机，走近自然。
参考文献：
[1] 张莉,徐亮,张运红,等.应用眼动仪评价观看线偏光液晶电视与圆偏光液晶电视诱导的视疲劳研究[J].眼科,2016,25(01):63-67.
编辑 | 徐睿
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