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[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）
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。
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，光通過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
[1]丛薇，隋清江.光的偏振态描述及转换计算[J].哈尔滨师范大学学报：自然科学版，2007，23（2）：76-77.
[2]Born M，Wolf E. Principles of Optics{7 th（expend） edition}[M].UK：Cambridge University Press，1999：31-33.
[3]廖延彪.偏振光学[M].北京：科学出版社，2003：51-54.
[4]刘海涛，吴重庆，董晖，等.光纤偏振态检测方法的研究[J].北方交通大学学报，2003，27（3）：58-62.
[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.
[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）。
[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）
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0
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。
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，光通過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
[1]丛薇，隋清江.光的偏振态描述及转换计算[J].哈尔滨师范大学学报：自然科学版，2007，23（2）：76-77.
[2]Born M，Wolf E. Principles of Optics{7 th（expend） edition}[M].UK：Cambridge University Press，1999：31-33.
[3]廖延彪.偏振光学[M].北京：科学出版社，2003：51-54.
[4]刘海涛，吴重庆，董晖，等.光纤偏振态检测方法的研究[J].北方交通大学学报，2003，27（3）：58-62.
[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.
[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）。