减少手机屏幕眩光的新型薄膜：设计灵感来源于蛾眼！

导读

大自然往往会为科学研究带来灵感。最近，美国中佛罗里达大学的研究团队受到了蛾眼纳米结构的启发，开发出一种抗反射膜，有效地解决了屏幕反光的问题。

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背景

我们可以想象如下的应用场景：当你处于户外强光条件下，观看智能手机屏幕上的画面，由于屏幕发生反光甚至产生眩光，不仅降低了屏幕画面的可见度，而且会引起视觉不适，甚至伤害眼睛健康。许多用户都曾被这种现象困扰过，它确实是具有显示屏的数码产品的一大痛点。

对此，最直接的方法就是走向阴暗处，避免强烈的环境光照射屏幕，虽然这样做是有效的，但是会影响用户体验的便捷性和流畅性。所以，如今许多智能手机都采用了传感器监测环境光亮度，通过提高屏幕的亮度级别，应对强烈的屏幕表面反射。这种自适应的亮度控制虽然增强了屏幕在阳光下的可视性，但是它会消耗更多的电能。

为了寻求更好的方案，科学家们需要灵感，然而灵感来自何方？大自然是科学研究最佳的灵感源泉。之前，笔者介绍过许多从大自然中汲取灵感的创新研究，用几个例子带大家回顾一下。

例如，在《“复眼技术”摄像头：让智能手机未来变得更薄！》一文曾介绍过，德国弗劳恩霍夫研究院的科研人员受到昆虫复眼的启发，研发出一种工艺能够生产厚度只有2毫米的平面摄像头。

（图片来源：维基百科）

《新石墨烯电极：灵感来源于分形植物，为产业发展萌发新希望！》一文中曾介绍过澳大利亚皇家墨尔本理工大学的科研人员，受到美洲蕨类植物的启发，开发了一种具有开创性意义的新型石墨烯基电极原型。

（图片来源：皇家墨尔本理工大学）

《科学家研究蝗虫嗅觉 设计仿生学感知系统》一文中曾介绍过美国圣路易斯华盛顿大学通过研究蝗虫的嗅觉，设计出新型仿生机器人感知系统，可应用于安全领域。

（图片来源：圣路易斯华盛顿大学）

创新

今天，我要介绍的创新技术成果也不例外。最近，美国中佛罗里达大学（CREOL）光学和光子学院的 Shin-Tson Wu 领导的研究团队受到了蛾眼纳米结构的启发，开发出一种抗反射膜，有效地解决了屏幕反光的问题。这一新型抗反射涂层的相关论文发表于《Optica》杂志。

（图片来源：维基百科）

这种抗反射膜的表面反射率只有0.23%，而研究团队称iPhone屏幕的表面反射率达4.4%。相比之下，这种反射膜的表面反射率要低许多。这种新型薄膜含有统一的“小酒窝”，每个直径差不多是100纳米（不到人类发丝宽度的千分之一）。

（图片来源：Shin-Tson Wu/中佛罗里达大学）

技术

蛾眼为什么会具有如此神奇的效果？因为蛾眼具有一种抗反射的纳米结构，提高了光线吸收能力。因此，飞蛾可以在黑暗条件下活动，且由于其眼睛反射的光线减少，有利于它们躲避天敌的注意，使它们躲过捕食者的注意。

对于蛾眼纳米结构的科技应用来说，有一些研究小组已采用它减少太阳能电池的表面反射。因此，Wu 和他的团队认为这项技术也适用于移动设备。

不过，蛾眼纳米结构要应用于移动设备例如智能手机，还需要克服一些技术挑战。对此，论文的第一作者Guanjan Tan 这么说：

“尽管蛾眼结构可以减少表面反射，但是将具有这种纳米结构的抗反射薄膜制造得足够大，可以用于移动手机或者平板电脑，这一点相对困难。这些结构很小，需要高分辨率和高精度的制造技术。 ”

为此，研究人员开发出一种新型制造技术，采用自组装的纳米微球形成精准模板，用于在涂层上创建仿蛾眼的结构。这项工艺的简单性和精准性，有利于在用于智能手机的足够大的薄膜上，制造出这种复杂结构。

另外，研究人员也设计了计算模型模拟涂层的光学性能，这种模型准确地体现了实验结果。之后，研究人员使用这种模型优化蛾眼纳米结构，使之达到最佳性能。

价值

对于这项创新研究的价值，首先我们看看是Wu 是怎么说的：

“在智能手机和平板电脑上使用我们的柔性抗反射薄膜，将使得屏幕更亮，清晰度更高，即使在户外观看时也是如此。除了具有低反射率，这种受自然启发的薄膜也耐划伤，并且可以自洁，保护屏幕免受灰尘和指纹的影响。”

这种优化后的薄膜的测试结果显示，在太阳光下观看时，覆盖这种新型薄膜的玻璃在对比度（最亮的白色和最暗的黑色之间的区别）方面有超过4倍的提升。当在阴暗处观看时，具有这种新型薄膜的玻璃在对比度方面有约达10倍的提升。研究人员也采用了标准的工业程序测试其柔韧性、耐划伤和自洁功能。

研究团队的关键成员之一，台湾大学的Jun-Haw Lee 称：

“我们的测量结果显示仿蛾眼的抗反射薄膜具有卓越的光学性能和机械强度。我们的薄膜提供了有效而且低成本的方法，降低了表面反射并且提高了移动设备在阳光下可视性。”

这种涂层也可以用于柔性显示设备，比如可以像书本一样折叠的手机屏幕，有望于明年上市。

未来

研究人员目前在正在致力于进一步提高抗反射薄膜的机械性能，包括在表面硬度和弹性之间寻求最佳的平衡，让薄膜表面足够坚固耐用，从而可以作为触摸屏长期适用。他们也在使用仿真模型进一步优化蛾眼结构的形状和尺寸，获取比以往任何创意更好的光学性能。

参考资料

【1】http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/new_screen_coating_makes_reading_in_sunlight_a_lot/

【2】G. Tan, J.-H. Lee, Y.-H. Lan, M.-K. Wei, L.-H. Peng, I.-C. Cheng, S.-T. Wu, “Broadband Antireflection Film with Moth-eye-like Structure for Flexible Display Applications,” Optica, Volume 4, Issue 7, 678-683 (2017).
DOI: 10.1364/OPTICA.4.000678

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