Birefringence (also called double refraction) is an optical property in which a material has two different refractive indices depending on the polarization of light passing through it. As RP Photonics defines it, the refractive index depends on the polarization direction, which is the direction of the light's electric field. Materials that look perfectly clear, such as calcite crystal, liquid crystal, stretched plastic film, or even glass under stress, can all be birefringent.
For display engineers, birefringence is both the most useful and the most troublesome property in optics. It is how every LCD switches its pixels, how compensation and wave-plate films work, and the root cause of several common defects.
The Physics in Brief
When unpolarized light enters a birefringent material, it splits into two components. Per the IEEE Technology Navigator, these are the ordinary and extraordinary rays, each traveling at a different phase velocity and, in some geometries, in a different direction.
- Ordinary ray (o-ray): Sees a fixed refractive index, no, regardless of direction.
- Extraordinary ray (e-ray): Sees an index, ne, that varies with its angle to the material's optic axis.
Three quantities matter in practice:
| Quantity | Formula | Meaning |
|---|---|---|
| Birefringence | Δn = ne − no | How strongly the material is anisotropic |
| Retardation | R = Δn × d | Optical path difference through thickness d (usually in nm) |
| Phase difference | δ = 2π × Δn × d / λ | How far the two components shift relative to each other |
Birefringence can be positive or negative. As RP Photonics explains, in a positive uniaxial crystal the extraordinary index is higher than the ordinary index. Because the two components fall out of step, linearly polarized light entering a birefringent layer can leave as elliptically or circularly polarized light, or as linear light rotated to a new angle. That transformation is what displays exploit.
Where Birefringence Comes From
- Intrinsic (crystalline): Natural anisotropy in crystals such as calcite and quartz.
- Molecular (liquid crystal): Rod-shaped LC molecules have a higher index along their long axis.
- Orientation (stretched polymers): Stretching aligns polymer chains. This is how retardation films are made, and also why some protective films cause defects.
- Stress-induced (photoelastic): Glass is optically isotropic, but as a Corning-related patent notes, applied stress breaks that symmetry and the glass usually becomes birefringent. The relationship is Δn = C × σ, where C is the photoelastic constant and σ is stress.
- Electrically induced: An electric field reorients LC molecules, changing their effective birefringence. Every LCD is built on this.
How Birefringence Makes an LCD Work
An LCD pixel is essentially a voltage-controlled wave plate between two polarizers. Applying voltage rotates the LC molecules, which changes the effective retardation, which changes how much light the front polarizer passes.
The key design parameter is dΔn, the product of cell gap and LC birefringence. A patent on TN LCD measurement lists it, along with twist angle, among the most important design parameters of TN and STN LCDs. To give a sense of real numbers, one VA LCD patent specifies LC Δn of 0.065 to 0.123, a cell gap of 3.0 to 6.0 µm, and dΔn of 0.25 to 0.4 µm.
From the fab side, this is why cell gap uniformity is one of the most tightly controlled parameters in LCD production. If spacer height or substrate flatness varies, dΔn varies across the panel, and that shows up as brightness and color nonuniformity (mura). LC suppliers tune Δn alongside viscosity and dielectric anisotropy: a higher-Δn mixture allows a thinner cell gap, and response time improves roughly with the square of the gap.
Birefringent Films: Putting the Effect to Work
Displays deliberately add birefringent films to correct or shape polarization:
- Compensation (retardation) films: VA and IPS panels use a-plate, c-plate, or biaxial compensation films on the outer cell surfaces. They cancel the LC layer's angle-dependent retardation so black stays black and colors don't shift at wide viewing angles.
- Quarter-wave plates: Combined with a linear polarizer, a quarter-wave film forms the circular polarizer that suppresses electrode reflections in OLEDs.
- Liquid crystal polymer coatings: Thin coated retarders are replacing stretched films in some stacks. One patent reports LC polymer compensation layers spin-coated with retardation controlled to within 3%.
When Birefringence Causes Defects
1. Stress-Induced Light Leakage in LCDs
Mechanical stress from mounting, bending, or assembly turns the glass substrates into weak, uncontrolled retarders. An Apple patent notes that bending display layers during housing installation can create stress-induced birefringence that causes light leakage in the dark state. In IPS panels, a finger or pen press can create the same effect: one patent describes touch pressure producing a white spot on a black screen. Curved monitors are especially sensitive, and Corning research shows the substrate stress state determines dark-state leakage in curved LCDs. In my experience, corner and edge "clouding" seen during black-screen inspection is very often a mechanical design issue (frame pressure, adhesive shrinkage, or thermal mismatch), not a panel defect.
2. Rainbow Mura from PET Films
PET is cheaper and tougher than TAC as a polarizer protective or touch-sensor film, but it is highly birefringent. A polarizer patent notes that stretched PET films can have in-plane retardation of 3,000 nm or more. Different wavelengths emerge with different polarization states, so viewers, especially those wearing polarized sunglasses, see rainbow-colored bands. The usual fix is "super retardation film" (SRF), PET with retardation pushed so high (often 8,000 nm or more) that the color fringes become too fine for the eye to resolve.
3. Reduced Contrast in Projectors and AR Optics
In polarizing beam splitter systems, any birefringence in the glass prism reduces contrast. According to a 3M patent, glass makers responded by developing glass with a low stress-optic coefficient that develops very little birefringence under stress. The same concern applies today to waveguides and pancake lenses in AR/VR headsets.
Summary
| Role | Example | Effect |
|---|---|---|
| Image formation | LC layer in every LCD | Voltage-controlled retardation creates grayscale |
| Optical correction | Compensation films, quarter-wave plates | Wider viewing angle, lower OLED reflection |
| Defect source | Stressed glass, PET films, molded plastics | Light leakage, mura, rainbow patterns, lower contrast |
Bottom line: Birefringence is the polarization dependence of refractive index. Controlled precisely, it is the engine of LCD technology and the basis of nearly every optical film in a display stack. Left uncontrolled, it is behind many of the mura and light-leakage defects we chase in production.
Relaterade vanliga frågor
- Vad är OLED?
- Vad är en LED-skärm?
- Vad betyder nit?
- Vad är uppdateringsfrekvens?
- Vad är kontrastförhållande?
- Vad är input lag?
- Vad är dubbla skärmar?
- Hur rengör man skärmar?
- Hur mäter man skärmstorlek?
- Kan datorskärmar få inbränning?
- Vad är bildformat på en skärm?
- Vad är Hz på en skärm?
- Hur stänger man laptopen och använder skärmen samtidigt?
- Vad är ghosting på en skärm?
- Vad är en vertikal skärm?
- Vad är nativ uppdateringsfrekvens?
- Varför är ergonomi viktigt för datoranvändare?
- Vad är en KVM-skärm?
- Hur påverkar skärmtittande synen?
- Vad är DCR på en skärm?
- Vad är en dämpad skärm?
- Vad är overdrive på en skärm?
- Vad är en ACM-skärm?
- Vad är en HD-skärm?
- Vad är en UHD-skärm?
- Vad är skärmspegling?
- Vilken modell är min skärm?
- Vad är en smart skärm?
- Vilka kablar behöver jag för dubbla skärmar?
- Vad behöver jag för en installation med dubbla skärmar?
- Varför visar mina dubbla skärmar samma sak?
- Varför fungerar bara en av mina dubbla skärmar?
- Varför utökas inte mina dubbla skärmar?
- Vad är pixelavstånd?
- Vad är nativ upplösning?
- Vad är en skärms betraktningsvinkel?
- Vad är en fastnad pixel?
- Vad är en böjd skärm?
- Vad är pixeltäthet på en skärm?
- Hur hög är en skärms strömförbrukning?
- Vad är DisplayPort?
- Vad är en VGA-port?
- Vad är en USB-C-port?
- Vad är en ultrabred skärm?
- Vad är flimmerfri teknik?
- Vad är punktavstånd?
- Vad är VA på en skärm?
- Hur ändrar man skärmens ljusstyrka?
- Vad är skärmhack?
- Vad är färgdjup?
- Vad är HiDPI?
- Vad är Rec.709?
- Vad är Delta E?
- Vad innebär det att vara HDR-kompatibel?
- Vad betyder färgnoggrannhet?
- Vad är en Thunderbolt-port?
- Vad är bildfrekvenskontroll?
- Vad är screen door-effekten?
- Vad är skärmartefakter?
- Fungerar blåljusfilter på en skärm?
- Vad är lokal dimning på en skärm?
- Vad är en matt skärm?
- Vad är DisplayPort Alternate Mode?
- Vad är en KVM-switch?
- Vad är pixelproportion?
- Vad är True Color?
- Vad är en skärmprofil?
- Vad är vertikal synkronisering?
- Vad är trippelbuffring?
- Vad är en passiv adapter?
- Vad är EOTF?
- Vad är kantutjämning?
- Vad är AMOLED?
- Vad är Plane-to-Line Switching?
- Vad är en LTPO-skärm?
- Vad är TFT?
- Vad är glassubstrat?
- Vad är bitdjup?
- Vad betyder GTG?
- Vad är 4K UHD?
- Vad är 8K UHD?
- Vad är färgtemperatur på en skärm?
- Vad är fotolitografi?
- Vad är TFT-LCD?
- Vad är en holografisk skärm?
- Vad är en autostereoskopisk skärm?
- Vad är Retina-skärm?
- Vad är nanostavs-LED?
- Vad är laserglödgning?
- Vad är oxid-TFT?
- Vad är en metalinsdisplay?
- Vad är en ljusfältsdisplay?
- Vad är en mikrokapseldisplay?
- Vad är en kolesterisk LCD?
- Vad är enhetlighetstestning?
- Hur testar man efter döda pixlar?
- Vad är EDID?
- Vad är HDCP?
- Vad är HGiG?
- Vad är VESA?
- Vad är LCD?
- Vad är en IPS-skärm?
- Vad är mAh?
- Vad är skärmupplösning?
- Vad är responstid?
- Hur kalibrerar man en skärm?
- Hur byter man primär skärm?
- Varför flimrar min skärm?
- Vad är screen tearing?
- Vad är FPS-läge på en skärm?
- Hur ansluter man en bärbar dator till en skärm med HDMI?
- Vad är en bärbar skärm?
- Vad är rörelsefrekvens?
- Vad är en FHD-skärm?
- Vad är en staplad skärm?
- Vad är effektiv uppdateringsfrekvens?
- Hur fungerar en bärbar skärm?
- Hur överklockar man en skärm?
- Vad är skärmergonomi?
- Vad är en skärmdrivrutin?
- Vad är en HDR-skärm?
- Vad är en 4K-skärm?
- Vad är en CRT-skärm?
- Vad är en QHD-skärm?
- Vad är microLED?
- Vad är låsskärm?
- Vad gör skärpa på en skärm?
- Vad är DP på en skärm?
- Vilken typ av splitter behöver jag för dubbla skärmar?
- Varför blir min dubbla skärm svart hela tiden?
- Varför flimrar min dubbla skärm?
- Varför byter mina dubbla skärmar plats hela tiden?
- Vad är QLED?
- Hur rengör man en USB-C-port?
- Vad är en död pixel?
- Vad är färgomfång?
- Vad är en pekskärm?
- Vad är det ideala tittavståndet till en skärm?
- Hur lång är livslängden på en skärm?
- Vad är en antireflexskärm?
- Vad är HDMI?
- Vad är en DVI-port?
- Vad är Adaptive Sync på en skärm?
- Vad är en bild-i-bild-skärm?
- Vad är en bild-vid-bild-skärm?
- Vad är TN i en skärm?
- Vad är en VESA-skärm?
- Är bakgrundsbelysning på skärmar värt det?
- Vad är en skärm med blank yta?
- Vad är fullfjädrad Type-C?
- Vad är VESA-certifierad DisplayHDR?
- Vad är dynamiskt kontrastförhållande?
- Vad är gammakorrigering?
- Vad är bildfrekvens?
- Vad är interpolering?
- Vad är interpolerad bildfrekvens?
- Vad är widescreen-bildförhållandet?
- Vad är bildsynkronisering på en skärm?
- Vad är antireflex på en skärm?
- Vad är en blank skärm?
- Vad är Mobile High Definition Link?
- Vad är en aktiv adapter?
- Vad är gamma på en skärm?
- Vad är en subpixel?
- Hur kalibrerar man sin skärm?
- Vad är en 3D-skärm?
- Hur överklockar man en skärms uppdateringsfrekvens?
- Vad är LightBoost?
- Vad är Quantum Dot Enhancement Film (QDEF)?
- Vad är en skärmdrivrutin?
- Vad är e-ink?
- Vad är MiniLED?
- Vad är bakgrundsbelysning på en skärm?
- Vad är polaritet på en skärm?
- Vad är LC?
- Hur fungerar en pekskärm?
- Vad är PWM?
- Vad är FreeSync?
- Vad är G-Sync?
- Vad är DCI-P3?
- Vad är Rec. 2020?
- Vad är en flexibel skärm?
- Vad är en transparent skärm?
- Vad är en laserfosforskärm?
- Vad är TADF?
- Vad är PHOLED?
- Vad är en LCD med dubbla celler?
- Vad är metallnät på en pekskärm?
- Vad är en IGZO-skärm?
- Vad är en volymetrisk skärm?
- Vad är en elektrowetting-skärm?
- Vad är en hybridskärm?
- Vad är rull-till-rull-tillverkning?
- Vad är kompensation för inbränning?
- Vad är mura-testet?
- Vad är HDMI ARC och eARC?
- Vad är Dolby Vision?
- Vad är HDR PQ-kurvan?
- Vad är en Energy Star-klassning?

