我们的系统检测到您来自 美国,但当前设定的国家/地区为中国。 您仍然要更改您的国家/地区吗?

在阳光下轻松上网

环境光太强往往会使液晶显示屏很难看清。这一现象的主要原因是显示屏与触控板之间存在缝隙。使用瓦克的新型有机硅凝胶和一种称为光学贴合的特殊生产工艺,德国一家显示增强技术公司VIA optronics成功制造出适合在强光环境中使用的显示屏。

增强显示屏减少反射 | 2015年05月13日 | 7:35 min

在室内,如果光线强烈,传统显示屏也可能难以看清。

笔记本电脑在室内使用时,显示屏或触控屏上的图片色彩鲜艳、对比度高,但在室外时往往难以看清,简直无法使用。色彩看上去变得暗淡,缺乏鲜明对比。阳光直射到显示屏上,会产生了眩目的反光,且人眼只能模糊分辨出一缕光线;在灯光非常强烈的房间里,也是如此。

如果显示屏在阳光下难以看清,这不仅会干扰笔记本、平板显示器、平板电脑和智能手机的使用,而且当车内导航系统或控制台显示屏在强烈的阳光下失去对比度时,还会影响驾驶员的安全行驶。

事实上,所有平板显示屏都会受到这些烦人的反射光的影响,包括目前平板显示屏市场主流的有源矩阵液晶显示屏。德国“平板显示屏论坛”(DFF)宣称,有源矩阵液晶显示屏约占平板显示屏销售额的90%。“有源矩阵液晶显示屏以透射模式运行,色彩准确性优异,所以目前广受欢迎,”DFF主席、德国普福尔茨海姆大学教授Karlheinz Blankenbach博士解释说。

液晶单元作为光阀

采用有机硅与不采用有机硅液晶显示屏示意图,右图:常规设计;左图:使用瓦克专用有机硅凝胶的光学贴合设计。

通常,液晶显示屏自身并不发光。其核心元件液晶单元仅作为光阀,需要光源才能产生可见的图像。对于透射型LCD,这一光源由LCD单元的背光提供。“LCD单元的透光区域可传输光线,所以看起来发亮;相反,不透明区域则会阻挡光线,形成所谓暗区,”Blankenbach解释说。

当环境光照射显示屏时,屏幕上的内容看起来变亮了,因为我们的眼睛会感知到显示屏反射过来的光线。因此,显示屏的暗区在入射光照射下变成灰色,而灰度随着入射光的不断增强而逐渐变亮;明暗对比因此而弱化。

“特别是在室外时,反射光可能非常强,完全强过屏幕上显示的内容,同时将对比度——屏幕最亮区域与最暗区域的亮度之比——降低到3:1以下。这时,无论显示屏是否配备触控板,都不可能看清了,”Blankenbach博士说。

反射光不仅令个人消费者烦恼不堪,而且很快成了工业用显示屏的安全风险。“当由于看不清显示屏而无法对某项工艺进行监控时,安全风险尤为凸显,”瓦克化学家Philipp Müller博士说。Müller来自瓦克有机硅工业解决方案业务团队,其主要研究领域是有机硅凝胶和电子设备封装。“如果飞行员在驾驶舱内看不清重要的仪表显示屏,那么就会将乘客的生命置于危险境地。”

不断变化的折射率

强烈的光线可能使显示屏与触控屏很难看清。这是玻璃盖板上的反射光和眩光造成的(左图)。使用有机硅凝胶贴合(右图)有助于抑制不需要的反射光。在室外,光学贴合显示屏看起来毫不费力。

根据基础物理学知识,当光波突然遇到不同的传播介质时,就会发生反射。“这种现象通常发生于折射率悬殊的两种介质的分界面上,”Müller博士解释道。如果两种材料的折射率差小于0.1,就很难反射任何光,所以基本上所有的光线都进入了第二种介质。空气的折射率为1.0;而LCD显示屏所用材料的折射率通常介于1.4与1.5之间,比空气的折射率要大得多。

然而,采用适当的材料和巧妙的贴合技术,也有可能抑制反射光——VIA optronics有限公司(一家在国际上相当成功的高强显示技术公司)制造的工业用显示屏充分证明了这一点。该公司总部位于德国纽伦堡附近的施华金布鲁克(Schwarzenbruck),生产汽车诊断工具、航空地平仪、汽车中央显示屏等专用的嵌入式LCD显示屏。在这些应用中,显示屏即使在阳光直射下也必须具有良好的可读性、坚固性和可靠性。

两大元件

出厂检验:从VIA optronics生产线上下来的显示屏与触控板都要在装运前经过出厂检验。

现代液晶显示屏基本由两个独立部分组成:LCD模块(包含生成屏幕内容的所有元件)以及安装在LCD模块之前的另一个模块。后者可能是触控板,例如智能手机的触控屏。然而,在超级本电脑中,该模块也许只是一层玻璃盖板,用于保护LCD模块的灵敏表面免受外界影响,或者仅仅作为一种设计元素。

这种盖板与LCD模块之间有一条小缝隙,这条缝隙对于光线传播具有关键影响,因为空气的折射率比相邻材料的折射率低得多。因此,照射到显示屏上的环境光在这三个分界面上都受到反射:盖板模块的上表面与下表面,以及LCD模块的上表面。

这三个表面均会反射3%到4%的环境入射光。这些平面在不同情形下的反射能力取决于光的入射角和精确的折射率值。这三次反射的总反射率大约为12%,而且还会发生多次反射。“如果把这些因素都考虑在内,反射率很容易达到近20%,”VIA optronics公司创始人兼首席执行官Jürgen Eichner警告说。此外,如果设备带有触控屏,受金属层的影响,反射率甚至会提高到30%以上。要制造在阳光直射下仍然可以看清的显示屏还涉及多个步骤。首先,选择适当的部件。“我们只使用镀有减反射膜的玻璃盖板,”VIA optronics首席执行官Eichner强调说。

“有机硅凝胶几乎满足我们的全部需求。“所以我们使用瓦克的有机硅凝胶作为形成我们的贴合材料的基础。”

Jürgen Eichner, VIA optronics首席执行官

一系列措施

为了进行测试,这台液晶显示屏一半使用有机硅凝胶进行光学贴合。测试表明:未贴合的一半(左边)会反射大量的光线,而贴合的一半(右边)则很容易看清。

上述表面处理措施最大程度地减弱了发生于三个反射平面最外层的反射光。其次,只使用电容式触控板。电容式触控屏中有一层厚度极薄、纹理细致的透明导电层。因此,与其他系统相比,电容式触控屏反射的光线较少,传输的背光相对校多。液晶显示模块与其前面的模块牢固贴合,消除了内部反射平面。这种措施称为光学贴合,在减少反射光方面特别有效。其原因是,有机硅胶粘剂的折射率与这两种相邻材料的折射率大致相符。因此,光线通过这两个贴合部件和胶粘剂时,就像通过同一种材料传播一样。

表面处理加上光学贴合,能将反射率降低到1%以下。在强光环境下,与标准显示屏相比,这种显示屏的对比度要高得多。“最后一步是优化背光,例如通过更有效地引导光线和束缚光线,”Eichner补充说。这就创造了更加绚目的显示效果,而且因为眼睛已经适应了强光环境,所以能更好地分辨屏幕上的内容。

屏幕更平

出于安全原因,导航设备的屏幕应始终清晰可读:光学贴合使之成为可能。

光学贴合是应对恼人的反射光的重要工艺。自20世纪80年代起,光学贴合就被用于生产军事与航空工业中的平板显示屏,能够消除大约三分之二的反射光。光学贴合还对显示装置内部的可见区域起到防尘防潮保护作用,使显示屏更加稳定,而且屏幕设计更平。VIA optronics在光学贴合领域拥有15年的丰富经验;该公司与瓦克联合开发了一种可浇注有机硅凝胶,并且在一项已获得专利的工艺中使用了这种有机硅凝胶。这种有机硅凝胶在使用时为液体,然后逐渐固化成柔软的硅胶层。直到有机硅凝胶停止流动,它才开始凝固,但此刻仍然具有粘性;直到此时,两个显示屏部件才真正贴合在一起。

“随着两个部件组装在一起,有机硅凝胶已经部分交联,但绝对没有完全固化,”有机硅专家Philipp Müller解释说。这一干燥而又有粘性的状态非常重要:如果有机硅在部件组装时仍然保持液态,就可能渗进背光元件,甚至渗进LCD单元;此外,它还需要对部件表面形成必要的粘结力。“诀窍在于准确把握部件组装的时间,”Müller强调说。贴合的第一步是在玻璃盖板或触控屏的下表面形成一层干燥而有粘性的有机硅。这层有机硅的厚度取决于显示屏的厚度和想要达到的坚固程度,通常介于0.1-2毫米之间。而对于防爆型显示屏,可能还需要加大厚度。在施加轻微压力将部件贴合到一起后,便形成贴合良好的组件。上述工艺都是由VIA optronics在无尘室中完成的,避免了贴合层受到污染。而后,有机硅胶粘剂完全固化,贴合组件的强度也达到最大。

VIA optronics的“干式工艺”需要广泛的实践经验和恰当的贴合材料。“只有使用瓦克专为我们量身定制的有机硅凝胶才能满足要求,”VIA optronics的Jürgen Eichner说。VIA optronics试验过多种透明材料——不仅仅是有机硅,还包括有机胶粘剂。然而,除其他原因之外,有机胶粘剂还往往会黄变和收缩,所以不适合使用。“在寻找合适的材料的过程中,我们找到了瓦克。瓦克的有机硅凝胶几乎满足了我们的全部需求,”Eichner说。“所以我们使用瓦克的有机硅凝胶作为形成我们的贴合材料的基础。”

柔软而富有弹性

VIA optronics的Mörsdorf研发实验室正在生产光学贴合特殊显示屏。

与常规硅橡胶不同,有机硅凝胶硫化后,不会形成有机硅弹性体,而是形成一种柔软而富有弹性的材料;与橡胶相比,其稠度更接近果冻。在交联固化后的有机硅凝胶中,各个聚合物分子相互连接,形成了松散的粗孔网状结构。其中某些有机硅链甚至仅通过其一端与网状结构相连。该网状结构使固化橡胶具有极高的柔性和粘弹性:这种有机硅凝胶可以变形,并在过一段时间后恢复原状。在瓦克应用技术工程师Philipp Müller看来,这一特性在显示屏应用中非常重要:“有机硅凝胶能够可靠地缓冲机械载荷,并且成型后能够与固体表面紧密贴合。”

有机硅凝胶还拥有另一大优势:作为加成固化化合物,在固化过程中几乎不会发生任何变化。这一特性对于光学贴合至关重要,VIA optronics公司首席执行官Eichner强调道:“如果贴合层在固化过程中收缩,贴合模块的边缘就会承受拉伸应力。这就会影响LCD单元,导致屏幕出现可见的颜色变化。”

“有机硅凝胶能够可靠地缓冲机械载荷,并且成型后能够与固体表面紧密贴合。”

Philipp Müller博士, 瓦克有机硅应用技术行业解决方案

关于VIA optronics

VIA optronics GmbH (www.via-optronics.com)是显示增强技术领域的一家全球性公司,专门从事低反光液晶显示屏的生产。该公司在光学贴合领域拥有16年的丰富经验和众多技术专利。VIA optronics开发或增强的显示屏被广泛用于专为室外或光线强烈的室内环境中使用而设计的设备中,如医疗诊断设备、便携式测量仪器、汽车导航设备和工业机器人等。该公司在全球拥有400多位员工,在德国默尔斯多夫和中国苏州拥有生产基地,公司总部位于靠近德国纽伦堡的Schwarzenbruck。

瓦克的有机硅专家与VIA optronics通力合作,共同设计了一种有机硅贴合材料的初步配方。这标志着双方富有成果的合作关系就此拉开序幕。“没过多久,我们就证实了有机硅凝胶在光学贴合方面的技术价值和商业价值。这就使得我们下定决心要为VIA optronics生产一种专用产品,”Müller说。

随着平板电脑和智能手机逐步普及,消费者越来越青睐采用光学贴合工艺的触控屏。苹果公司无疑是这一趋势的开创者,其iPhone和iPad系列采用的正是这种触控屏。微软公司也在进一步推动其触摸屏控制Windows 8操作系统。“这已经给终端用户设备制造商带来了巨大的压力,”Blankenbach教授估计道。

未来数年内,光学贴合必将极大受益于这一发展趋势。近期,瓦克与VIA optronics达成协议,双方同意在光学贴合业务方面进一步紧密合作。协议条款规定,双方将转移在新型有机硅产品与加工技术开发方面的专业知识,并捆绑分销与营销活动,从而在不久的将来彻底淘汰那些眩目而难以看清的显示屏。