偏振光学在前装HUD中的应用

偏振光介绍

光是一种电磁波，电磁波是横波，其振动方向与传播方向相互垂直，振动方向与传播方向构成的平面称为振动面。

光的“偏振状态”有两重含义，其一是描述一束光是属于“完全偏振光”、“自然光”或“部分偏振光”中的哪一种；其二是对这三种光中的完全偏振光作进一步分类，即分类为“线偏振光”（或平面偏振光）、“椭圆偏振光”和“圆偏振光”。

本文只涉及到线偏振光，线偏振光的定义是：在空间任意一点，其电场或磁场始终沿着一条确定的不随时间改变的直线方向振动，如下图所示。

图1 线偏振光

线偏振光在介质表面上的折射和反射

如图2所示，入射光线从介质1入射至介质2，并在两种介质的分界面上发生折射和反射，两种介质的折射率分别是n₁和n₂。入射光是线偏振光，其电场E_is垂直于入射面（纸面）向外。入射面的定义是，入射光与法线所构成的平面。通常将偏振方向垂直于入射面的偏振光称为s偏振光，将偏振方向平行于入射面的偏振光称为p偏振光。如果入射光的偏振方向既不垂直于入射面，又不平行于入射面，则可以说该线偏振光同时具有s分量偏振光和p分量偏振光。

图2 介质表面上的反射和折射

在这里直接给出s光、p光的反射系数和透射系数，以及折射定律，具体推导公式可参考高等院校光学相关教材。

偏振光学在前装HUD中的应用

根据以上公式，可以通过数值计算得到s光和p光的反射率随入射角变化的曲线，如图3所示。图中的数据计算基于以下条件，介质1是空气，折射率n₁为1.0，介质2是玻璃，折射率n₂为1.52。需要注意的是，反射率是反射系数的平方。

图3 s光和p光的反射率随入射角变化的曲线

从图3可以看出，s光的反射率随入射角的增加而变大，p光的反射率随着入射角的增加，先减小至零后再增加。当入射光以布儒斯特角θ_B入射时，其反射光电场的p分量始终为零，这一现象被称为布儒斯特定律。布儒斯特角的计算公式如下：

偏振光学在前装HUD中的应用

前装HUD中偏振光学的应用

上面之所以着重介绍了s光和p光的反射率随入射角变化的情况，就是为了解释说明前装HUD中TFT-LCD方案为什么要采用s偏振光。TFT-LCD发出的成像光束经过平面镜mirror1反射，再经过自由曲面反射镜mirror2反射至风挡玻璃，最后再由风挡玻璃反射至Eyebox区域。

成像系统中两个反射镜的反射率都可以达到90%以上，但风挡玻璃的反射率比较低。前装HUD中光线入射至风挡玻璃的入射角在55°~65°范围左右，通过图3我们可以看到，在60°入射角时，s光的反射率要远大于p光的反射率，这就是TFT-LCD方案中采用s偏振光的原因。

图4 前装W-HUD成像光学系统

当太阳光沿着图4中的红色箭头方向入射至HUD内部时，经过自由曲面凹面反射镜mirror2的汇聚作用，最终在TFT-LCD上形成高能量密度的太阳光分布。在太阳光暴晒的夏天，某些地区的太阳光辐射功率可达1000W/m²以上，经过HUD反射镜的聚焦，TFT-LCD表面的太阳光能量密度可达几十千瓦每平方米，极有可能烧坏LCD。因此，为了保护LCD不被太阳光损坏，反射偏振膜闪亮登场。

图5 太阳辐射光谱能量

为了减少太阳光入射至HUD内部的能量，有两种选择方案，一种是在HUD防尘盖（或上盖）粘贴具有偏振反射特性的DBEF光学膜，可以反射可见光波段内接近50%的太阳光能量，同时对TFT-LCD出射的s光具有高于90%的透过率；另一种方案是在平面反射镜mirror1上镀上冷光膜，该冷光膜对s光具有高于90%的反射率，同时对p光和红外光具有高于90%的透过率。

图 6 DBEF的光谱反射特性曲线

图 7冷光膜的光谱反射特性曲线

原文始发于微信公众号（冰糖雪梨说光学）：偏振光学在前装HUD中的应用

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