基于斯托克斯参数的手机保护膜偏振特性研究

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基于斯托克斯参数的手机保护膜偏振特性研

究

作者：杨伟志 莫纯坚

来源：《中国科技博览》2019年第02期

[摘 要]斯托克斯参数可全面描述光束的偏振态，通过分析偏振光斯托克斯参数的意义及其

测量方法，搭建平台测量手机屏幕保护膜的偏振特性。通过测量，分析其偏振特性，实验得

出：不同类型的手机膜偏振特性不尽相同，手机膜上各处的斯托克斯参数亦有所差异。钢化膜

可将线偏振光转化为圆偏振光，对人眼起到一定保护作用。磨砂膜将光线转变为部分偏振光，

高透膜则对光偏振特性几乎无影响。

[关键词]手机膜，斯托克斯参数，偏振特性，视疲劳

中图分类号：E231 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）02-0318-02

1、引言

由于手机屏幕在日常生活中容易受到损伤，加上其维修费用较高，为保护手机屏幕使其免

受刮痕等损伤，很多人都会贴手机膜。市面上有多种不同功能、效果的手机膜，光通过手机膜

后偏特性有怎样的变化，长时间的使用这些手机膜会引起甚至加重视觉疲劳吗？本文通过测量

手机膜的斯托克斯参数来研究手机膜的偏振特性，进而探讨其对人眼视觉疲劳的影响。

2、斯托克斯参数

斯托克斯参数可全面描述光束的偏振态，也可表征单色光或准单色光，是描述光强度和偏

振态的重要工具[1]。

单色平面光波的各种偏振态可以用斯托克斯参数（S0，S1，S2，S3）来表示，光的电矢

量s分量振幅ES和p分量振幅EP及相位差δ与4个斯托克斯参数的关系如下[2]：

（1）

对于完全偏振光：

（2）

对于部分偏振光：

（3）

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对于完全非偏振光：

（三4）

偏振度表示为：

（5）

偏振度的意义：若P=0，说明是完全非偏振光；若P=1，说明是完全偏振光；若01，无物

理意义[3]。

3、斯托克斯参数的测量

国内有关斯托克斯参数的研究有很多，测量方法各不相同。本文采用偏振光调制法，在实

验中通过测量光束的光强，进而确定斯托克斯参数。实验装置如图1所示。

在起偏器P1后放置1/4波片，令其快轴方向与x方向成不同的角度Ψ，其作用是使待测

光成为线偏振光（Ψ=0°）、椭圆偏振光或圆偏振光（Ψ=45°）；若撤掉1/4波片L1，通过旋转

起偏器P1，那么待测光就会变成不同方向的线偏振光；如果把1/4波片L1和起偏器P1都撤

掉，那么待测光成为部分偏振光（半导体激光器的出射光）。1/4波片L2的快轴和检偏器P2

分别与x 轴的夹角为θC 和θP，经过这两者调制的光S′进入探测器D，便可测得光强值。

图1 斯托克斯参数测量装置图

当偏振光经过偏振器件后，探测器D 探测到的光S’（S0’，S1’，S2’，S3’）与待测光S

（S0，S1，S2，S3）的矩阵关系是：

（6）

上式中：M（θP）、M（θC）分别为检偏器P2和1/4波片L2的传输矩阵[4]。根据理论

有：

其中，探测器D探测到的是S0’项的光强值，因此：

根据上式，θC和θP可以取几组特殊的角度，从而获得几组不同的光强值I（θC，θP）：

（7）

测出以上六组光强值，根据公式（7）便可求出待测光的斯托克斯参数（S0，S1，S2，

S3）和偏振度P。

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先通过偏振度P验证待测光是否为完全偏振光，然后把斯托克斯参数归一化后的数据与常

见偏振态的斯托克斯参数进行对比，从而判断待测光为线偏振光、圆偏振光或椭圆偏振光等。

4、实验与结果分析

将图1中1/4波片L1换成待测手机膜，即激光出射后经过起偏器成线偏振光，垂直入射

到手机膜，若手机膜具有偏振特性，透射光的性质相比入射光会发生变化，然后经过1/4波片

L2和检偏器P2两者的调制被探测器D测出光强，利用公式（7）便可获得经调制后的光S'的

斯托克斯参数，通过与表1中常见的偏振光的斯托克斯参数进行比较，得知待测光偏振态，进

而得到手机膜的偏振特性。实验对象手机膜有三种类型，分别是钢化膜、磨砂膜和高透膜。测

量结果如表1所示。

结果分析：钢化膜透光性良好，不同孔位待测光的偏振度基本在误差范围内，属于完全偏

振光，对比常见偏振态的斯托克斯参数，该偏振光为圆偏振光；磨砂膜由于其表面粗糙，透光

性不是很好，相对光强值也会低一点，粗糙面对光的传播有较大影响，导致偏振度都低于1，

属于部分偏振光；高透膜的透光性很好，待测光偏振度都在误差范围内，属于完全偏振光。同

一手机膜不同位置的偏振特性有所不同。

5、结语

斯托克斯参数可全面描述光偏振特性，且易于测量。本文通过搭建实验测试平台，应用斯

托克斯参数，测量光通过不同手机屏幕保护膜后光偏振态的变化，得出不同膜对光偏振特性的

影响各不相同。有关研究表明，与线偏振光相比，人眼更容易适应由圆偏振光提供的图像，更

不容易产生视疲劳[5、6]。由此分析，将手机膜做成偏振特性，光通过手机膜后变成圆偏振

光，会减轻长时间注视手机而引起的视疲劳，对人眼的视觉具有一定的保护作用。

参考文献

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[5]闫晓林，付东，朱昌昌，等.圆偏振光液晶电视对视疲劳的影响[J].中国预防医学杂志，

2009，10（8）：798-800.

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[6]马军，吴双胜，李百惠，等.自然光液晶及普通液晶电视对视疲劳影响[J].中国公共卫

生，2010，26（5）：561-562.

作者简介：

杨伟志（1984-），男，实验师，主要从事物理实验教学与光电技术应用研究。

基金项目：

嘉应学院自然科学项目：分振幅法偏振光斯托克斯参数测量系统设计及应用研究（项目编

号：314E25）。