什麼是雙折射？

雙折射 (也稱為雙重折射) 是存在某些材料中的光學現象。大多數透明材料都具有單一折射率，在光線穿過材料時會改變其路徑。然而，在雙折射材料中，光線會經歷兩種折射率，導致其分成兩道光線，並遵循不同的軌道。 

雙重折射現象取決於材料的結構 (即材料的原子晶格)，以及入射光線的極化和傳播方向。進入雙折射材料的非極化光分為兩種不同的光線，稱為尋常光 (o 光) 和非尋常光 (e 光)。o 光與光學軸垂直 (或正交) 極化，也就是光線的方向不會發生雙重折射，而 e 光的極化方向則不完全與光學軸垂直。兩道極化光在折射後，會以不同的角度和速度行進。

不同的晶體會自然表現出各向異性和雙折射行為。在光學中，各向異性是指根據測量方向而變化的材料屬性。具有這些性質的材料包括：

• 碳酸鈣 (方解石)
• 石英
• 電氣石
• 紅寶石
• 二氧化鈦 (金紅石)
• 氟化鎂 (氟鎂石)

此外，還有幾種具有非晶體各向異性結構的合成材料，也可能表現出雙折射，包括：

• 纖維材料
• 長鏈聚合物
• 樹脂
• 複合材料

有一種特定類型的雙折射稱為應力雙折射，會在對材料施加外力或變形時發生。應力雙折射是由光彈性效應 (也稱為壓電效應) 造成，這通常在塑膠和拉伸薄膜等材料中普遍發生。

應力的引入會導致分子層級的變化，造成原子分佈不均勻，並產生不同的機械屬性。這種反應會導致材料的折射率在施加的應力或負載下發生變化。

光彈性效應在某些方面與壓電效應相似。壓電效應是一種物理現象，指材料在承受機械應力時會產生電荷，而光彈性效應則涉及施加的負載改變材料的電荷分佈。然而，與其說材料的電性發生改變，不如說是材料的光學屬性隨著原子重新排列而改變。

由於雙折射會在施加機械負載時發生，因此可將材料的應力分佈視覺化。這能在光學元件整合至較大型系統 (例如擴增和虛擬實境 (AR/VR) 頭戴裝置) 時，有效測試對其施加的應力和應變。

有許多科學和技術應用領域都使用雙折射。

使用科學儀器

雙折射用於研究不同特性分析技術中的材料屬性，包括：

極化光顯微鏡：這項技術涉及將極化光導入樣本，而樣本的雙折射屬性會改變光線的極化。接著，顯微鏡中的分析儀元件可以選擇僅傳輸極化改變的光線，進而提高影像對比度，並提供有關樣本固有屬性的資訊，例如結構和組成細節。 

光學斷層掃描 (OCT)：這項技術使用不同生物材料 (例如人體組織) 的雙折射來增加顯微鏡影像的對比。

LCD 螢幕

LCD 螢幕使用雙折射液晶來顯示影像和影片。施加電場時，這些液晶會改變其折射率。透過控制液晶的方向，螢幕可以控制穿透光線的極化和強度。

光通訊

雙折射用於光纖纜線以傳輸訊號。雙折射用於稱為波長選擇器開關的光纖元件，其作為光學閘，專門選擇並沿著纜線中的特定路徑導引特定波長。雙折射材料會在傳輸光線通過纜線時維持其極化，進而將變形程度降至最低，並提供更可靠的通訊線路。

極化濾波器

雙折射也會用於攝影機、顯微鏡和其他光學儀器的極化濾波器。極化濾波器由具有網格式各向異性結構的材料組成。這些濾波器會阻擋光的兩個極化分量之一，控制不同波長的光如何穿過。這可讓您產生獨特的視覺效果，同時提供降低眩光、清晰度更高的影像。

雖然雙折射可在許多領域中增強功能，但應力雙折射可能會降低光學元件的效能。

在某些應用領域中，工程師已從使用玻璃鏡頭轉為使用塑膠鏡頭，使光學系統更輕巧，更能實現量產。然而，壓克力和 PMMA 等聚合物更容易受到應力雙折射的影響。雖然這種影響在玻璃中並不常見，但塑膠光學可能會變形，並改變光在分子層級與材料相互作用的方式。智慧型手機、抬頭顯示器 (HUD) 和 AR/VR 頭戴裝置等高效能技術中用到的所有塑膠鏡頭，都必須將應力雙折射納入考量。

光學裝置中應力雙折射的主要來源有兩個：製造和安裝。在製造過程中，射出成型等製程可能會在鏡頭冷卻時，將殘餘應力留在鏡頭內部，因為外緣的冷卻速度比內部快。

此外，當鏡頭固定在其固定座或外殼中時，該製程引入的機械應力可能會改變塑膠鏡頭內部的折射率分佈。由於這些應力可能改變材料的固有光學屬性，因此必須在模擬和建模中考慮這些應力，以確保鏡頭達到最佳效能，並盡量將光學損耗 (例如亮度和強度降低) 降到最低。

若未加以考量，即使整體光傳輸中的損失只有幾個百分點，也可能會讓影像品質和亮度降低到超出指定範圍。這種影響在 HUD 和 AR/VR 頭戴裝置中很明顯，將造成低對比度影像，必須為系統提供更多電力來補救。這種處理方式不適合頭戴裝置，因為會產生額外的熱能，可能會讓佩戴者感到不適，電池也會更快沒電。

雙折射向來會導致某種程度的光學誤差，但製造商很少提供資訊，說明這如何影響材料的光學效能。隨著工程師開發更先進的光學元件，瞭解雙折射如何影響不同材料的效能將變得愈來愈重要。模擬和運算建模可考慮多物理效應 (例如應力雙折射)，進而提供設計洞察，是展開新一代光學設計的關鍵。

先進光學系統的開發、原型製作、測試和生產成本愈來愈高。因此，要在預算範圍內推進產品開發，就必須減少實體原型測試週期數。這可確保第一批實體原型接近預期規格，有助於節省時間、工作量和成本。

Ansys 提供多種工具，例如 Ansys Zemax OpticStudio 光學系統設計與分析軟體，以及 Ansys Mechanical 結構有限元素分析 (FEA) 軟體，以瞭解各種光學裝置與最終應用領域的不同材料及其雙折射屬性。這些應用程式也與 MATLAB 和 Moldex3D 等外部工具相容。 

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