为什么戴偏振墨镜看手机会变黑：液晶显示的偏振调光原理

一句话结论：TN 型 LCD 的背光先被起偏，液晶把偏振方向扭转 90° 后穿过正交检偏器；加电压取消扭转，像素变暗。

从墨镜里的黑屏说起

戴上一副偏振墨镜，把手机屏幕在镜片后面慢慢转。屏幕会在某个角度明显变暗，继续转 \(90^\circ\)，又恢复到接近原来的亮度。把手机倾斜、改变观看角度也会有亮度变化，但那是另一回事：这里说的是屏幕在自己的平面内转动，眼睛和屏幕的距离、倾斜角都不变。

这块屏幕没有坏。它发出的光经过了一片偏振片，电场主要沿一个固定方向振动，不再是各个方向都均等的自然光。偏振墨镜也是一片偏振片，只让沿自己透振轴的分量通过。屏幕的偏振方向与镜片的透振轴夹角为 \(\theta\) 时，透过的光强按 \(I=I_0\cos^2\theta\) 变化：平行时最亮，\(45^\circ\) 时剩一半，垂直时最暗。再把屏幕转 \(90^\circ\)，两者的相对角度回到平行，屏幕又亮起来。

不同屏幕的表现并不一样。有的手机转 \(90^\circ\) 后几乎全黑，有的只是变暗，有的还会带一点偏色。这取决于屏幕出射光的偏振状态、偏振片的方向，以及面板是不是液晶显示（liquid crystal display，LCD）。要解释这些差异，得从 LCD 的光路看起。

图 1：(a) 屏幕出射的线偏振方向与墨镜透振轴成 \(\theta\) 角；(b) 理想情况下透射光强按 \(I/I_0=\cos^2\theta\) 变化，\(45^\circ\) 减半，\(90^\circ\) 最暗，\(180^\circ\) 复原。

图 1(b) 的曲线只描述“屏幕已经是线偏振”之后的事。它不回答两个更前面的问题：屏幕为什么要把光做成线偏振？液晶又怎样让这个偏振方向随电压改变？这两个问题要拆开 LCD 的层状结构才能回答。

屏幕的光为什么有固定方向

LCD 自己不发光。它背后有一层背光，把白光送进面板；真正决定像素亮暗的，是白光的偏振方向在穿过液晶层时有没有被改变。常见 edge-lit 结构的背光由发光二极管（light-emitting diode，LED）、导光板、扩散膜和增亮膜组成，白光从侧面进入导光板，再均匀地铺到整块面板上。LED 怎样把电变成光，站内LED 发光原理已经讲过；这里只把它当作一块足够亮、光谱合适的白光光源。

白光的第一站是下偏振片，也叫起偏器。自然光里各个方向的振动大致等权，理想偏振片只放行沿透振轴的分量，透射光强剩下大约一半，出射光变成线偏振。接着是薄膜晶体管（thin-film transistor，TFT）阵列。每个子像素对应一个薄膜晶体管，它像一个小开关，把电压加到该子像素的液晶电容上。TFT 玻璃基板之上是液晶层，再往上是彩色滤光片和上偏振片，也叫检偏器。

关键在于两片偏振片的方向。下偏振片和上偏振片的透振轴互相垂直，而且分别与液晶层上下表面的分子取向对齐。如果中间没有液晶，或者液晶不改变偏振方向，那么下偏振片选出的线偏振光到达上偏振片时正好与它的透振轴垂直，会被挡住，像素是黑的。LCD 的窍门是在两片正交偏振片之间放一层能“转动”偏振方向的液晶：零电压时它把偏振方向转 \(90^\circ\)，光就能通过上偏振片；加电压后转动消失，光又被挡住。

图 2：LCD 面板的层状结构示意。背光发出的光依次经过下偏振片、TFT 基板、液晶层、彩色滤光片和上偏振片；不同面板的具体膜层顺序会有所差异，图中不按实际厚度比例。

彩色滤光片决定每个子像素的颜色。常见的 LCD 把每个像素分成红、绿、蓝三个子像素，白光穿过对应颜色的滤光片后只剩该波段的成分；三个子像素的亮度分别由自己的液晶开关控制，合起来就是看到的颜色。颜色怎样由三个子像素混合、色坐标怎样计算，属于色度学的范围，站内色坐标与色彩不均匀性有更完整的推导。本文只关心亮度：同一个子像素内，液晶把多少光送到上偏振片，决定了这个子像素这一帧有多亮。子像素在显微镜下长什么样，放到第 4 节讲灰阶时再看。

液晶怎样把偏振方向拧转 90°

要理解液晶为什么能转动偏振，先看它的分子排列。向列相液晶的分子像一根根小棒，长程上大致朝同一个方向排列，这个平均方向叫指向矢。玻璃表面经过摩擦或光取向处理，让贴壁的分子沿特定方向躺下。TN（twisted nematic，扭曲向列）盒的上下两块基板取向方向相差 \(90^\circ\)，分子从上到下逐层扭转，形成 \(90^\circ\) 的螺旋排列。

液晶是双折射材料。可以把 TN 盒沿厚度切成许多薄层，每一层都像一片很薄的波片，快轴方向随分子取向逐层旋转。光穿过一层时，这一层让两个正交分量积累不同的相位；进入下一层，快慢轴已经转过一个角度，偏振态要按新的轴重新分解。逐层累积下来，出射光的偏振方向就跟着指向矢转了约 \(90^\circ\)。站内双折射干涉色原理讲过双折射样品怎样让两个正交分量积累相位差；TN 盒的特殊之处是快轴本身在厚度方向上旋转，所以偏振方向被螺旋带着走，并不只是在两个固定轴之间振荡。在常用的盒厚和折射率差下，这种跟随可以做得相当完整。

零电压时，下偏振片选出的线偏振光进入 TN 盒，偏振方向沿着底部的分子取向；穿过螺旋后，它转到顶部的分子取向，正好与上偏振片的透振轴平行，于是通过上偏振片，像素是亮的。这种“零电压亮、加电压暗”的工作方式叫常白模式。

加电压后，电场让液晶分子趋于沿电场方向直立，螺旋逐渐解开。电压超过阈值后，扭转角减小，偏振旋转不再完整，上偏振片能通过的分量随之下降，像素变暗。电压足够高时，分子几乎直立，偏振方向基本不变，正交的上偏振片把光挡住，像素接近全黑。液晶本身不发光，也不直接吸收光；它改变的是光的偏振态，最后由检偏器把偏振态转换成亮度。

图 3：TN 液晶盒的两种状态。零电压时液晶分子从下到上扭转 \(90^\circ\)，偏振方向跟着转，光通过正交的上偏振片；加电压后分子趋于直立，扭转消失，光被上偏振片挡住。

像素的灰阶：电压不是开关

如果液晶只有“扭转”和“直立”两个状态，LCD 就只能显示黑白两色。实际屏幕有 256 级甚至更高的灰阶，靠的是 TFT 在每个像素上施加一个可变的模拟电压。电压改变液晶分子的倾斜角，偏振旋转的程度也跟着连续变化，透过上偏振片的光强就落在全亮和全暗之间。常见的 8 位驱动把亮度分成 \(2^8=256\) 级，这里说的是驱动电压的级数，不是说液晶本身只有 256 个离散状态。

TFT 还负责“记住”电压。液晶盒可以看成一个电容，TFT 导通时把电压写进去，关断后电荷在像素电容上保持到下一帧刷新。整块面板逐行扫描，每一行只在很短的时间里被选中，其余时间靠电容维持；这就是有源矩阵（active matrix）驱动。它让每个子像素的电压可以独立设定，不会因为行与行之间的串扰而乱掉。

图 4：TN-LCD 的 RGB 子像素显微照片。每个彩色条纹对应一个子像素，黑线是黑矩阵；每个子像素都有自己的液晶开关和彩色滤光片。

图 4 里能看到红、绿、蓝条纹和它们之间的黑矩阵。黑矩阵遮住晶体管和走线，减少漏光和串色；每个彩色条纹下面都有自己的液晶单元，所以同一个像素的红、绿、蓝可以各自明暗不同。把三个子像素的亮度按比例混合，屏幕就能显示从白到黑、从红到蓝的各种颜色。

亮度能调节的范围用对比度描述：最亮状态除以最暗状态。黑态靠的是液晶不再转动偏振、上偏振片把光挡住，并非液晶把光完全吸收；实际能挡到多干净，取决于偏振片的消光比、液晶的残余双折射和视角。TN 的黑态容易漏光，视角也较窄；VA 在零电压时分子直立，正交偏振片下更接近真正的黑，轴上对比度可以做得更高。OLED 的亮度、对比度和发光方式是另一套机制，本文不展开；这里只把 LCD 的内部机制讲完。

为什么有的屏幕全黑，有的只是变暗

把偏振墨镜看成一片固定的检偏器，屏幕看成线偏振光源，图 1 的余弦平方就描述了剩余亮度。很多偏振墨镜把透振轴取在竖直方向，用来压低水面、路面等水平表面反射产生的水平偏振眩光；镜片戴在脸上以后，它的方向就固定了，转动的是屏幕。屏幕的偏振方向与镜片透振轴平行时最亮，转到垂直时最暗，再转 \(90^\circ\) 又回到最亮。

“全黑”是理想情况。真实的偏振片有有限的消光比，正交位置仍有少量漏光；屏幕的出射偏振方向也不一定正好与镜片垂直。所以更常见的现象是：转到某个角度明显变暗，但不是严格的零；继续转 \(90^\circ\)，亮度回来。不同手机、不同墨镜的最暗角度和最暗程度不一样，原因就在这里。

面板类型也会改变结果。TN、VA（vertical alignment，垂直排列；多域 VA 常写作 MVA）、IPS（in-plane switching，面内切换）、FFS（fringe-field switching，边缘场切换；负性液晶版本写作 n-FFS）都用两片正交偏振片，但液晶在零电压时的排列不同，所以有的像素零电压亮、有的零电压暗。表 1 把四种常见模式放在一起对比。

表 1：四种常见 LCD 模式的液晶排列与典型光学特征。表中数值为综述给出的代表性结果，具体产品会因材料、膜层和驱动方式不同而变化。

表 1 里最值得对照的是“零电压画面”一列。正交偏振片本身只提供“挡住”的条件；液晶在零电压时是否把偏振方向转 \(90^\circ\)，决定这个像素是常白还是常黑。TN 零电压时扭转完整，光能通过，所以是常白；VA 零电压时分子直立，偏振不被转动，光被挡住，所以是常黑；IPS 和 FFS 的液晶在零电压时水平排列，同样不把偏振转 \(90^\circ\)，加电压后面内电场才让分子转动、开始透光。四种模式的共同点在于用电压改变液晶取向，从而改变到达检偏器的偏振态，而不在于具体是哪一种排列。

这也解释了为什么用偏振墨镜判断屏幕类型并不可靠。同样是 LCD，TN 和 IPS 的出射偏振方向可能不同；同一块屏，横屏和竖屏时长边方向变了，屏幕偏振轴相对墨镜的角度也变了。再加上墨镜本身的透振轴方向、镜片的消光比、观看角度，都会影响你看到的亮度。把“墨镜黑屏”当成 LCD 的通用指纹，容易误判。

OLED（organic light-emitting diode，有机发光二极管）又是另一种情况。OLED 每个像素自己发光，不需要背光和液晶开关；它的发光本身没有经过 LCD 那样的吸收型检偏器。不过，很多 OLED 面板外面会贴一层圆偏振片来压环境反光，这层膜由线偏振片和延迟膜组成，会改变出射光的偏振状态。实际结果是：有些 OLED 屏在偏振墨镜下也会变暗或偏色，有些则不明显，取决于面板的膜层设计。看到 OLED 不黑，不能直接推断它“完全没有偏振”；看到它变暗，也不能拿 TN 的 \(90^\circ\) 模型硬套。

在家验证：一副偏振墨镜和一块白屏

这套观察不需要拆机，也不需要买光学平台。找一块亮度可调的屏幕、一副偏振墨镜，再准备一张全白图片就够了。

1. 把屏幕显示成全白，关闭自动亮度，把亮度固定在中间档；把手机平放在桌上，屏幕朝上；头和身体保持不动，只转手机。
2. 戴上偏振墨镜，从上往下看屏幕。在屏幕平面内慢慢转动手机，不要倾斜屏幕；找到最暗的位置，再继续转 \(90^\circ\)，看亮度是否回到接近最亮。最亮和最暗应该相差约 \(90^\circ\)，转 \(180^\circ\) 回到原来的明暗。
3. 想定量，就把另一部手机固定在支架上，用光度计 App 或相机对准屏幕中心，距离保持不变；每转 \(15^\circ\) 读一次，转到 \(180^\circ\)。把读数除以最大值，得到归一化亮度，再和 \(\cos^2\theta\) 比较。
4. 读数会告诉你几件事：\(45^\circ\) 处应接近 0.50，\(60^\circ\) 处应接近 0.25，\(90^\circ\) 处应接近 0。实测最小值通常不是零，因为偏振片有漏光；如果最亮和最暗的间隔不是 \(90^\circ\)，先检查自己是不是把“倾斜屏幕”当成了“在平面内转动”。

用相机读数时，要关掉自动曝光和自动对焦，否则相机会把变暗的画面自动提亮，曲线被压平。用光度计 App 时，注意传感器位置和屏幕距离固定，环境光不要直射传感器。把每个角度的读数和理论值并排记下来，就能看出自己的屏幕和墨镜偏离理想模型多少。

如果曲线在 \(90^\circ\) 附近没有明显下凹，或者最暗位置随观看角度变化很大，说明这块屏的偏振膜层不是简单的单层线偏振片；这已经超出本文的范围，但足以让你判断眼前的黑屏是偏振效应还是故障。把角度和亮度记下来，“墨镜黑屏”就从一条日常现象变成了一条可以检验的曲线。

参考资料

1. College Physics 2e, §27.8 Polarization — OpenStax
2. Liquid crystal display and organic light-emitting diode display: present status and future perspectives — Light: Science & Applications (2018)
3. Voltage-dependent optical activity of a twisted nematic liquid crystal — Applied Physics Letters (1971)
4. A High-Retardation Polymer Film for Viewing Liquid Crystal Displays through Polarized Sunglasses without Chromaticity Change in the Image — Japanese Journal of Applied Physics (2011)
5. Analysis of Random Depolarization Films with Birefringent Microparticles for Liquid-Crystal and OLED Displays — SID Symposium Digest of Technical Papers (2020)
6. Ambient contrast ratio of LCDs and OLED displays — Optics Express (2017)
7. LCD Panal (Layer model) E.PNG — Wikimedia Commons
8. LiquidCrystalDisplay-field off and on with label.svg — Wikimedia Commons
9. LCD TN Subpixel.jpg — Wikimedia Commons