雙折射（birefringence或double refraction）是一種存在于某些材料中的光學現象。大多數透光材料具有單一折射率，可改變光穿過材料時的路徑。但是，在雙折射材料中，一束光線會遇到兩種折射率，從而分裂成兩束沿著不同的軌跡傳播的光線。 

雙折射的核心原理

雙重折射現象取決于材料的結構（即材料的晶格），以及入射光線的偏振和傳播方向。非偏振光進入雙折射材料后，會分裂成兩條不同的光線，分別稱為尋常光線（o光線）和非尋常光線（e光線）。o光線的偏振方向垂直于（或正交于）光軸——即光不會發生雙折射的方向，而e光線的偏振方向與光軸不完全垂直。這兩條偏振光線在折射后，會以不同的角度和速度傳播。

多種不同晶體天然表現出各向異性和雙折射特性。在光學中，各向異性是指一種材料屬性，該屬性隨測量方向而變化。具有這類性質的材料包括：

• 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，還有多種具有非晶態各向異性結構的合成材料也能表現出雙折射現象，包括

• 纖維材料
• 長鏈聚合物
• 樹脂
• 復合材料

應力雙折射

有一種特殊類型的雙折射稱為應力雙折射，這種現象發生在材料受到外力或形變時。應力雙折射由彈光效應（也稱為壓光效應）引起，常見于塑料和拉伸薄膜等材料。

應力的引入會導致分子層面的變化，造成原子分布不均勻和力學屬性變化。該效應會使材料在承受應力或載荷時折射率發生變化。

彈光效應在某些方面類似于壓電效應。壓電效應是材料在承受機械應力時產生電荷的物理現象，而彈光效應則是施加的載荷改變了材料的電荷分布。但不同之處在于，前者改變的是電氣屬性，后者則是材料在原子重新分布后發生光學屬性變化。

由于這種雙折射在施加的機械載荷下發生，因此可以通過該現象實現材料應力分布的可視化。這是一種有效的方法，可用于測試光學組件在集成到大型系統（如增強現實/虛擬現實頭顯設備）時所受的應力與應變。

雙折射的應用示例

雙折射在眾多科學和技術領域得到了廣泛應用。

>>>>科學儀器

雙折射可用于不同分析表征技術中的材料屬性研究，包括：

偏振光顯微鏡：該技術方案將偏振光照射到樣品上，然后樣品的雙折射特性會改變光的偏振狀態。顯微鏡中的分析儀組件可以選擇性地僅透過偏振狀態發生改變的光，從而增強圖像對比度，并提供有關樣品內在屬性（例如結構和成分細節）的信息。 

光學相干斷層掃描（OCT）：該技術利用不同生物材料（如人體組織）的雙折射特性，為顯微圖像增加對比度。

>>>>LCD屏幕

LCD屏幕利用雙折射液晶來顯示圖像和視頻。當施加電場時，這些液晶的折射率會改變。通過控制液晶的方向，屏幕可以調控通過光的偏振狀態和強度。

>>>>光通信

雙折射可用于光纜中的信號傳輸。在稱為“波長選擇開關”的光纖組件中，雙折射作為光學“門控”，可精準選擇特定波長并引導其沿光纜中特定路徑傳輸。雙折射材料能保持透射光沿光纜傳輸時的偏振狀態，從而最大限度地減少失真，實現更可靠的通信線路。

>>>>偏振選擇器

雙折射也可用于攝像頭、顯微鏡及其他光學儀器的偏振選擇器。偏振選擇器由具有網格狀各向異性結構的材料組成，通過阻擋光的兩個偏振分量之一，來控制不同波長光的通過。這使我們能夠生成獨特的視覺效果，以及低眩光、更高清晰度的圖像。

為何測量光學材料中的應力雙折射至關重要

盡管雙折射在許多應用領域中被用于實現功能增強，但應力雙折射卻會降低光學組件的性能。

在某些應用中，工程師已將透鏡材料從玻璃轉為塑料，以使光學系統更輕、更易于大規模生產。然而，丙烯酸類和PMMA等聚合物更容易產生應力雙折射。該效應在玻璃中并不顯著，但塑料光學元件可能發生形變，并在分子層面改變光與材料的相互作用。因此，在智能手機、抬頭顯示器（HUD）和AR/VR頭顯設備等高性能技術中使用的所有塑料透鏡，都需要考慮應力雙折射。

光學器件中的應力雙折射主要有兩大來源：制造過程和安裝過程。在制造過程中，注塑成型等工藝會導致透鏡冷卻時其內部產生殘余應力，因為外緣冷卻速度比內部更快。

此外，將透鏡固定到其支架或外殼中時，該過程產生的機械應力會改變塑料透鏡內部的折射率分布。由于這些應力會改變材料的固有光學屬性，因此必須在仿真和建模中予以考慮，以確保最佳透鏡性能并最大限度地減少光學損耗，例如亮度和強度的衰減。

即使整體光透射損耗只有幾個百分點，若未加考慮，也可能導致圖像質量和亮度超出指定范圍。這種影響在HUD和AR/VR頭顯設備中尤為明顯，其會導致低對比度圖像，因此必須通過增加系統功耗來補償。但對于頭顯設備而言，這并不是理想選擇，因為這會產生額外熱量，不僅會讓佩戴者感到不適，還會更快地耗盡電池電量。

雙折射始終會造成一定程度的光學誤差，但制造商很少提供關于其如何影響材料光學性能的信息。隨著工程師開發更先進的光學組件，了解雙折射對不同材料性能的影響將變得越來越重要。仿真與計算建模能夠通過考慮應力雙折射等多物理場效應，提供設計洞察，成為解鎖新一代光學設計的關鍵。

雙折射仿真

先進光學系統的開發、原型設計、測試和生產成本日益攀升。因此，減少物理原型測試周期對于在預算范圍內推進產品開發至關重要。如果能確保首個物理原型就接近預期規范，便可以助力節省時間、精力和資金。

Ansys提供了一系列工具，例如Ansys Zemax OpticStudio光學系統設計與分析軟件，以及Ansys Mechanical結構有限元分析（FEA）軟件，幫助用戶了解各種光學器件和終端應用中的不同材料及其雙折射特性。這些應用還兼容MATLAB和Moldex3D等外部工具。 

VR頭顯設備中的殘余應力

注塑成型VR透鏡中的應力仿真