高性能光学薄膜在汽车显示屏上的应用

　　随着人们对汽车仪表盘的照明和显示仪器在亮度、视觉效果和能耗等方面的要求不断提高，鉴于高性能光学薄膜在调整光路方面的显著优势，使得将其替代传统的塑料薄膜用于汽车显示屏和仪表板上成为了可能。本文介绍了具有独特表面微结构的聚碳酸酯(PC)薄膜，并通过实验验证了其对对比度和亮度的改善效果。
 

　　
图1 汽车显示屏示例

　　概述

　　目前，市场对于汽车仪表盘照明和显示仪器的亮度、视觉效果和能耗的需求不断提高。普通透明或磨砂的印刷级塑料薄膜已被用来提供必要的局部漫反射效果，以遮蔽显示屏后方的灯泡和结构细节，而在有照明需求时则允许光线透过。但是，足够的亮度和对比度需要依靠增加额外的照明强度和合适的表面纹路处理来实现，这时此类薄膜的应用就可能受到限制。

　　
图2 用于仪表板的印刷式PC薄膜

　　值得欣喜的是，在液晶电视和显示器应用市场中，高性能光学薄膜的最新发展已使得将此类薄膜对某些光路的调整功能延伸到汽车的显示屏和仪表板应用成为可能。

　　通常，光学功能是通过在薄膜表面上创建光学微结构(比如微透镜阵列、半圆柱或棱镜阵列等)来实现的。此类薄膜特别适合用以LED为照明光源的应用场合。

　　
图3 折射定律：光线折射(对于空气，n2 = 1)

　　本文评估了两种类型的薄膜：一种是表面带有微透镜阵列的薄膜;另一种是带有无规磨砂纹理的薄膜(作为参照)。薄膜表面采用丝网印刷印制了与常用的仪表板类似的图案，放置在用于测试的背光模组中，然后使用光强测量方法对模组的亮度和对比度进行了定性和定量评估。

　　汽车显示屏

　　
图4 PC微透镜薄膜的局部扫描电镜图

　　一般的汽车显示屏包含100~800μm厚的印刷式塑料薄膜，它与仪表板仪表或指示器装配或堆叠在一起，以提供所需的显示功能(如图2所示)，通常采用单层薄膜，但为了提升美观度或三维效果，也会使用薄膜叠层。汽车设计师已发现，PC薄膜是汽车显示屏的首选材料，因为PC具备固有的力学、热学和光学特性。

　　显示屏照明

　　
图5 PC微透镜薄膜的横截面扫描电镜图

　　需要照明时，额外光源被用来提供照明，如用白炽灯、CCFL(冷阴极荧光灯)或LED(发光二极管)。在这种情况下，通常需要使用导光板。导光板通常是一个用透明塑料模塑成型的组件，它负责接收来自光源的光线，并将它们扭转和引导至需要照明的显示区域。导光板可能被非常精心地设计，从而可将光源的光线分成多个部分，并将其中每一部分引导至不同显示区域。

　
图6 磨砂PC薄膜的局部光学视图

　　在带有印刷式薄膜的显示屏中，印刷设计可确定遮光区域(实地印刷)和透光区域(透明或半透明印刷)，这便是所用薄膜的光学属性对显示屏的总体性能产生影响的地方。透明薄膜可以允许最大数量的光线通过，但透过此类透明薄膜可能会看到本来不希望被看到的显示单元结构。为了遮蔽薄膜后方的结构细节，薄膜需要具备一定的遮蔽能力。采用带有磨砂表面(无规纹理)的薄膜(而不是透明薄膜)，通常足以实现所需的遮蔽要求。但这会使透过薄膜的光线发生漫射(或沿多个方向散射)，从而降低视觉亮度。需要注意的是，从更广泛的意义上说，遮蔽能力是为了解决光照区域中的光线均匀度问题，即在不同的点获得相同的光线密度。通常，使用带有无规磨砂纹理的扩散膜可实现均匀度，但这需要以牺牲亮度为代价。理想的薄膜是，在有效的方向(即朝着观看者的方向)上允许最大数量的光线透过，同时提供足够的遮蔽能力(漫射)。

　　
图7 PC棱镜薄膜的局部扫描电镜图

　　值得注意的是，液晶显示器(比如液晶电视、台式电脑显示器和笔记本电脑屏幕等)领域的技术进步，已使得我们对光线透过不同类型薄膜和薄膜叠层的行为以及影响亮度、均匀度、视角和功耗的因素有了透彻了解。在液晶显示器中，光源或背光模块(BLM)利用若干光学薄膜来调节透过液晶面板的光线(这些光线将形成图像)，并为观看者提供明亮的、均匀的并且可从不同方向舒适观看的图像。

　　
图8 PC棱镜薄膜的横截面扫描电镜图

　　当前工作的目标是，将液晶显示器领域的知识扩展到基于印刷式图形薄膜的汽车显示屏上。实际上，采用液晶显示器技术的汽车显示屏分支领域(比如导航系统和音频/视频控制台等)已从此类技术革新中受益。

　　
图9 PC透镜薄膜的局部扫描电镜图

　　高性能光学薄膜

　　光线在穿过透明薄膜时将遵循折射的物理原理。材料的折射率“n”是一个关键属性，它影响到光线离开薄膜表面的方式(如图 3所示)。当一束光线离开表面时，其出射角(相对于表面法线)与入射角之间的关系将遵循折射定律：

　　n1 = n2 sin2/sin1

　　
图10 PC透镜薄膜的横截面扫描电镜图

　　因此，可以通过控制表面斜率来控制光线离开表面的方式。有文献表明，在另一项研究开发中，研究人员确定了为在不损害表面扩散特性的情况下将光线“扭转”至所要求的方向(即朝着观看者的方向)，表面需要实现什么样的斜率分布，以便能在保持遮蔽能力的情况下将光线集中起来。研究人员还确定了创建拥有此类特性的单片塑料薄膜的方法，并推出了在塑料薄膜上获得此类表面所需的母模。

　　
图11 PC微透镜薄膜的印刷能力测试图案(双面)

　　作为参照，图6显示了一个无规纹理(该纹理使标准PC扩散薄膜的表面具有磨砂效果)的局部视图(光学显微镜图)。可以对此类薄膜进行设计，使其提供足够的漫射和遮蔽能力，但它们无法提供与特制微结构光学表面一样的光学重定向能力。

　　
图12 用于执行光强测量的实验设置

　　各项异性的光学薄膜适用于使用直线式排布光源阵列(CCFL或LED灯组)的应用。通过用交叉配置方式将两块薄膜叠放在一起，可以在一定程度上减弱光学的各项异性。

　　
图13 用于执行光强测量的印刷测试样品

　　实验评估

　　由于商用汽车显示屏存在广泛的差异性，研究人员构建了一个可以适应测量设置和简化数据收集过程的模拟显示屏。鉴于印刷是汽车显示屏所用薄膜的准备工作中的重要一步，因此，研究人员还对本次研究中使用的薄膜样品进行了印刷兼容性检查。这种印刷能力检查是通过在每种候选材料的两面印刷测试图案来完成的。在对薄膜材料执行进一步处理之前，研究人员对测试图案的完整性进行了目测。图11显示了印刷能力测试图案：白色特征印刷在一面，而黑色特征印刷在另一面。