光学薄膜的创新技术

作者：沙伯基础创新塑料 Dr. Adel Bastawros、Dr. Jian Zhou

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 在汽车仪表盘及车内显示屏背光照明方面，对显示亮度、可视度和低能耗的需求越来越高。在这方面，一般采用光面或磨砂面印刷塑料薄膜来分散局部的光线，遮盖掉显示屏后面的灯管或结构性部件，同时向需要照明的地方传递光线。不过，这种塑料薄膜在没有额外照明或表面处理从而达到足够亮度和对比度的情况下是无法满足功能方面的需求的。 LCD电视机和其他显示器采用的高级显示膜所取得的一些新的技术发展使得这些膜的光管理特性得以逐渐应用到汽车显示屏和仪表盘领域。来自沙伯基础创新塑料以及GE中国技术中心的研究人员针对将聚碳酸酯（PC）薄膜引入到该领域的可行性进行了研究。这种膜具备独特的工程表面特性，可以提高显示屏的对比度和亮度。薄膜的光学功能主要通过薄膜表面产生的微透镜阵列、透镜或棱镜矩阵来实现。这种薄膜尤其适用于采用LED进行照明的应用领域。 研究人员对两种类型的薄膜展开了评估，一种是表面具有微透镜阵列的薄膜，还有一种表面为无规则磨砂纹理的薄膜，作为对比之用。研究人员采用丝网印刷的方式，仿照仪表盘通常采用的样式，将其印制到薄膜上，放置在测试用背光模块上面。显示屏的亮度和对比度通过光强测试方法进行质和量的测试。 显示屏照明 汽车显示屏通常包含一张印刷塑料薄膜，大约100-800μm厚，与仪表或指示灯装配或叠加在一起，提供必要的显示功能。一般情况下都是采用单张膜，不过有时为了显示美观或为了达到3-D效果也会采用多张膜。汽车设计师发现PC薄膜在汽车显示屏应用方面是一种理想的材料，这主要得益于聚碳酸酯这种材料固有的机械、热学以及光学特性。 采用印刷塑料薄膜的显示屏通过印刷设计来决定哪些区域需要遮挡光线（实地印刷），哪些区域需要透光（透明或半透明印刷）。带有磨砂表面（随机纹理）的塑料薄膜与光面薄膜不同的是，这种膜完全可以遮挡住结构部件，但是在光线透过膜的时候会导致光的扩散，从而影响显示屏的亮度。 最理想的薄膜是尽可能地让光线朝着需要的方向发射（比如对着观看者），同时还具有一定的遮盖能力（光的扩散）。 LCD显示屏方面的技术进步让人们更进一步地了解了光线穿过不同类型薄膜或膜系时光线的传递情况，以及影响亮度、一致性、观察角度和能耗等方面的因素。在LCD显示屏应用中，可以采用光源或背光模块（BLM），通过一些光学薄膜来调节透过LCD屏（显示图像的屏幕）的光线，为观看者提供一个明亮、亮度一致的图像，从各个角度观看都非常舒服、清晰。 目前这种技术已经在汽车上一些LCD显示屏（比如导航系统和音/视频系统控制面板）方面得到了应用。 高级光学薄膜 根据斯涅尔定律，平行的入射光线透过光滑的表面折射后方向均相同，也就是说，所有入射光线的折射角都是一样的。但是如果折射表面是磨砂的或带有纹路的，同样的入射光线在透过介质后会朝不同的方向扩散。 要想控制光线穿透表面后的传递方式，可以通过控制表面坡度来实现。有些研究已经找到理想的表面坡度分布方式，可以让光线朝着需要的方向折射，同时还不会影响表面的光扩散特性，这样在保持遮盖力的情况下可以使光线更加集中。生产具备这种性能的单片塑料薄膜工艺已经开发出来，在塑料薄膜上做出这种表面效果的设备也已经推向市场。 表面带有微透镜阵列的塑料薄膜便是这种具有特定坡度分布的单片塑料薄膜的一种。 随机纹理可以为标准PC扩散膜的表面带来磨砂效果——改变纹理的设计可以提高膜的光扩散和遮盖性能，但是它不能提供像工程光学表面那样的光线重新定向性能。 微透镜膜不管膜的取向如何都具备相同的光学性能。因此，这种膜具有较高的转印灵活性，可以印制到不同形状的物体上，也不需要保留参照框架。与之相比，棱镜和透镜膜表面具有非常高的定向性——光线在透过薄膜后会沿着与表面单元相垂直的方向传播。 棱镜膜与微透镜膜相比可能具有更高的光线转向能力，但是必须按照与光源及观察点相对应的预设取向进行转印或热印。透镜膜的定向能力与棱镜膜相当，但是这种膜的光线转向程度其实与微透镜膜差不多。 定向膜适用于采用线性光源照明的应用中，比如CCFL（冷阴极荧光灯）或LED排灯。定向性方面的不足可以通过在交叉配置中将两张膜叠加起来的方式解决。 微透镜膜样品评估 研究人员在汽车显示屏模拟环境中，对采用了工程微透镜表面结构的单片Lexan PC膜进行了评估。将该样品在较强环境光线下的可视度与磨砂膜样品进行对比发现，微透镜膜明显可视度更高，更鲜艳；而磨砂膜眩光比较严重。 眩光与表面的反射性和光泽度有关，如果光泽度减少，眩光也会随之减少。微透镜膜样品的光泽度非常低。这是当前微透镜膜表面固有的特性，表面形貌单元的形状和尺寸决定了环境光线很容易分散在这样的表面上，从而避免了眩光的出现。 减少标准图像膜的眩光现象也不是不可能，但是需要对表面进行额外的调整，或对随机纹理进行专门的设计。 此外，研究人员还对以上两种膜的遮盖力进行了简单的评估——将这两个样品放在木纹表面上。在较强的环境光照下，对木纹背景穿过薄膜圆点表面的可视度进行评估。磨砂膜样品表现出的遮盖力比较强，而透过微透镜膜样品上的圆点依然可以看得到背面的木纹。 肉眼观察结果也得到了样品雾影数值的支持。微透镜膜的雾影度很明显，达到100%（磨砂膜为77%），表明这种膜光扩散性能较高。 磨砂扩散膜的雾影度可以通过在树脂基材中添加光扩散颗粒达到较高的水平。微透镜膜之所以有如此高的扩散性，主要是因为光线在穿过膜的内部时进行多次反射和折射造成的。微透镜膜可以将光扩散特性与光定向性能结合起来，这是微透镜膜一个独特的地方。 为了测量膜的对比度，研究人员在内部光源关闭的情况下在环境光下记录了膜的光强度数值。分别记录两种膜圆点中央及周围不透明黑色印刷区域的光强读数，然后就可以得到圆点与黑色区域的光强度数值的比值（对比度）。结果显示，微透镜膜样品的亮度是磨砂膜样品的三倍多。 在内部光源打开的情况下，整个测试过程又做了一次。此次记录了被照明圆点中心（光线传输点放在圆点的下方）和其他相邻圆点中心的光强。 在这种情况下，微透镜膜聚集光线并将其穿透过那些没有直接对着光源圆点的能力同样是磨砂膜的三倍多。这也是得益于微透镜阵列可以将光线折射到观看者方向（测试中采用光强计）的特性。这些光线如果穿过普通的没有经过光校准的薄膜时就会被浪费掉了。 综上所述，最大程度地提高光能量的利用率从而提高亮度还是有办法实现的。二选一的话，至少可以降低所需的能量，从而减少总体能量的消耗。 测试结果表明，通过高级显示膜在LCD显示屏方面的应用所获得的好处同样可以在汽车显示应用中实现。建议对高级显示膜在汽车显示屏上的实际照明方案进行进一步的测试。 （本文基于SAE技术论文2011-01-0 462改写。作者为沙伯基础创新塑料的Dr. Adel Bastawros、Dr. Jian Zhou与Dr. Michael Davis，以及GE中国技术中心的Dr. Zhe Chen。）(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/11/2013)