图1  汽车显示屏示例

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。

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于以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

汽车显示屏（比如仪表板、信息显示以及驾驶室中不同状态的指示器等）为驾驶员和乘客提供与乘车、驾车和车辆性能有关的重要信息（如图1所示）。此类显示屏需具有良好的视觉效果、清晰度和观看舒适度。

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

在白天使用期间，大多数显示屏都不需要照明。但显示屏与环境光线的相互作用可能会影响显示屏的能见度和观看舒适度。在这一点上，薄膜表面的眩光和反射特性将显得非常关键。这种相互作用将在下文中加以讨论。

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

折射定律告诉我们，平行光束会顺着同一方向（即所有光线的出射角都相同）离开光滑平面。如果表面经过磨砂或纹理处理，这些光束将在光线传播路径上顺着不同方向发生散射。这是因为，光滑平面上所有点的表面法线都是平行的，并指向同一方向。对于磨砂表面，不同点或不同区域元素的表面法线指向随机分布的方向。换句话说，光线以何种方式离开表面，将由不同表面元素的倾角或斜率来决定。在更为普遍的情况下，入射光线并不一定平行，但会保持同样的相对行为，即与光滑平面相比，经过无规磨砂处理的表面会散射或漫射更多光线。

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。

在一面带有微透镜阵列的单片塑料薄膜，便是具有受控斜率分布的单片塑料薄膜的一个例子。图4显示了此类表面的局部扫描电镜图，图5显示了同一表面的横截面扫描电镜图。对于此类薄膜的微透镜元素，其尺寸介于10~100 μm范围内。

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。

微透镜薄膜的光学性能具有各向同性。因此，这种薄膜的裁切方式很灵活，可以在无需保持特定参考方向的情况下冲切成不同形状。与此不同的是，半圆柱或棱镜结构的薄膜的表面具有高度方向性，它们优先沿着与表面微结构垂直的轴将光线重定向。与微透镜薄膜相比，棱镜薄膜（如图7和图8所示）可以提供更高的光线扭转能力，但必须根据光源和所要求的观看位置沿薄膜的特定方向进行裁切或冲压。半圆柱结构薄膜（如图9和图10所示）的方向性与棱镜薄膜相似，但它们的光线扭转水平基本与微透镜薄膜相似。

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。

当前的工作涉及将单片微透镜薄膜引入到汽车显示屏中，并且也会涉及到其他种类的高性能光学薄膜。

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。

图14 印刷微透镜样品（ML）在环境光线下的能见度

实验设置

在研究中搭建了一个带有开口平顶板的装置，如图12所示。印刷后的测试样品放在顶板上，其待测区域正好位于顶班开口上方。在实验中，采用与光学显微镜所使用的相同白色光源来产生背光，并用一条光纤电缆将光线传输到实验装置。光纤的出光端面经过简单抛光处理，传输头被固定在实验装置上可以照亮开口区域的位置上。光源设置经过调整，可以提供合适的照度水平。之后，这些设置在整个实验评估期间保持不变。

图15 印刷级磨砂处理样品（MT）在环境光线下的能见度

此处采用了一个通常用于液晶显示器辉度测量的光强计，以测量观察方向上的光强。这是通过将探头放在与薄膜表面垂直的位置来实现的。本研究旨在了解不同位置之间的相对光强或对比度。这些都是通过计算目标位置的光强比来确定的。

显示屏的对比度可以在两种状态下来确定：

1.无照明时：内部光源关闭；显示屏的能见度取决于环境光线；

2.有照明时：内部光源打开，显示屏的能见度靠透射光得到增强。

图16 微透镜（左）和磨砂处理（右）样品对木纹背景的遮蔽能力

测试样品

为了模拟在薄膜表面上带有按不同间隔分布的明暗特征的印刷式薄膜，研究人员选择了由3排透明圆点（未印刷位置）和在其他位置用纯黑油墨印刷构成的印刷图案（面积约为40 mm×80 mm）。圆点的直径为6.25 mm，并且第一行圆点的间距与此直径相等，第二行的圆点间距为此直径的1/2，而第三行的圆点间距为此直径的1/3。图13显示了某个印刷测试样品的示例。

在研究中包含两套样品。表1给出了样品的细节。

结果与分析

1. 环境光线下的能见度

图14和图15分别描述了微透镜（ML）和磨砂（MT）样品在明亮环境光线下的能见度。很显然，ML样品的特征一目了然，其能见度比MT样品高，而后者有很强的眩光。眩光与表面的反射率和光泽度有关，并随表面光泽度降低而减小。ML样品的表面光泽度非常低（见表1），这与观察到的性能相符。表面光泽度低，是当前微镜片表面固有的特性，其形状和形貌尺寸（如图4和图5所示）使得环境光线很容易在此类表面发生散射，从而可避免形成眩光。

减小普通印刷级薄膜上的眩光不是不可能，但可能需要对表面进行额外的表面调节处理或对无规纹理进行精心的重新设计。

2. 遮蔽能力

在研究中，通过将ML和MT样品放在带有印刷木纹图案的表面上，而对两者的遮蔽能力进行了简单评估。在明亮的环境光线下，研究人员评估了通过表面上的未印刷圆点观察木纹背景时的能见度。图16显示，ML样品具有较高的遮蔽能力，而通过MT样品上的圆点仍可以看到背景图案的痕迹。观察结果与两种样品的雾度特性（见表1）相符。ML样品拥有100%的“表观”雾度（相比之下，MT样品为77%），说明它具有非常高的光线漫射能力。在磨砂漫射薄膜中，可以通过在树脂基质中添加扩散颗粒来获得这种雾度水平。ML薄膜具有较高水平的漫射，这是因为光线在通过ML薄膜时会发生多次内部全反射或折射。兼具扩散特性（即遮蔽能力）和光线扭转能力，是微透镜薄膜的独特属性。

3. 对比度

（1）环境光照下的对比度：将样品被放在图12所示的测试装置上，并且在关闭内部光源的情况下，记录下光线的光强。ML和MT薄膜的读数取自圆点的中心位置以及四周不透明的黑色印刷区域，随即确定圆点区域与黑色区域的强度比（对比度）。

较高的比值表示汽车显示屏具有较好的能见度。表2列出了两种样品在环境光线下的平均对比度值。微透镜样品的亮度比磨砂样品高3倍以上，这再次与前文介绍的能见度定性评估相符。

（2）背光照明下的对比度：在打开内部光源的情况下，再次使用图12所示的设置，并记录亮圆点（光线传输头被放在此类圆点下方）中心位置以及相邻圆点中心位置的光强，随即确定两个圆点之间的强度比，或者透射背光的对比度。这个参数的值越高，则表明透过不在光源正上方的圆点的光线越少，即圆点离光源越远，那么它捕获和传播光线的能力越差。相反，这个参数的值越低，则表明不在光源正上方的圆点仍能捕获一定量的光线，这些光线将通过此类远端圆点透射出来。因此，从光线传输的角度来看，低值是我们希望看到的。表3列出了这种透射背光的对比度比值的均值。

在收集光线并通过远离光源的位置透射光线的能力方面，微透镜样品再次表现出3倍以上的优势。通过微透镜图案将光线扭转至观看方向（在测试设置中，这是指朝着光强计的方向）的能力，可以解释这一点。当光线通过普通的非集光薄膜透射时，有效方向的投射光线比例则会较低。因此，在充分利用光能并提供更大亮度方面，为透镜薄膜具有更多地的机会。或者说，我们可以降低功率需求，从而帮助降低总体功耗。

总结

通过模拟汽车显示屏设置，评估了特制微透镜表面结构的单片式Lexan*聚碳酸酯薄膜。当与普通磨砂薄膜做定性比较时，印刷后的微透镜薄膜的眩光较少、在环境光线下的能见度更佳，并且对薄膜后方的物体拥有更强的遮蔽能力。

进行定量分析时，微透镜薄膜在无照明显示屏配置下的对比度比磨砂处理薄膜高3倍。在带有照明的显示屏配置下，微透镜薄膜在远离光源直照的区域中表现出高3倍的透光能力。因此，微透镜薄膜回收的光能可用于改善亮度或实现节能，即在相同的照明功率水平下增加亮度和对比度，或在较低的功耗水平下实现相同的亮度。

当前的工作表明，在液晶显示器应用中借助高性能光学显示屏薄膜实现的效益，或许也可以在汽车显示屏领域中体现。

SABIC创新塑料（Innovative Plastics)业务部门建议，按照汽车显示屏中的实际照明方案，对这些高性能薄膜做进一步的应用测试和调整。