牛顿环形成的原理是什么_牛顿环原理和分析

一、牛顿环的概念

牛顿环，又称“牛顿圈”。在光学上，牛顿环是一个薄膜干涉现象。光的一种干涉图样，是一些明暗相间的同心圆环。例如用一个曲率半径很大的凸透镜的凸面和一平面玻璃接触，在日光下或用白光照射时，可以看到接触点为一暗点，其周围为一些明暗相间的彩色圆环；而用单色光照射时，则表现为一些明暗相间的单色圆圈。这些圆圈的距离不等，随离中心点的距离的增加而逐渐变窄。它们是由球面上和平面上反射的光线相互干涉而形成的干涉条纹。

在牛顿环的示意图上，下部为平面玻璃（平晶），A为平凸透镜，其曲率中心为O，在二者中部接触点的四周则是平面玻璃与凸透镜所夹的空气气隙。当平行单色光垂直入射于凸透镜的平表面时。在空气气隙的上下两表面所引起的反射光线形成相干光。光线在气隙上下表面反射（一是在光疏媒质面上反射，一是在光密媒质面上反射）。

二、牛顿环的产生机理

我们知道，不管是电阻式触摸屏，还是液晶显示器，支撑主体都是两块ITO玻璃或一块ITO玻璃，一块ITOFILM，如果有一面材料产生形变，材料ITO内表面产生一个曲率半径的曲面，跟平常物理光学里讲的产生牛顿环的凸透镜与平面镜内表面的效果是一样的，牛顿环同样是体现了光线在相对的两个表面因反射光线与入射光线光程差与波长间的关系。它同样的，会因为光程差的增大，也就是两表面间的距离增加，牛顿环的间距也会增大。5FI》T=QF在实际生产过程中，不管电阻式触摸屏也好，液晶显示器也好，都会把外框支撑处的间隙距离做得比中间的稍微大一些，如果工艺中参数稍有差离，那么这种距离差就没法消除，这样就让两个表面的产生一定的中间向内凹陷，这样光线在两个表面间的光程差就会产生不一样，在入射光与反射光的互相干涉过程中，就会按不同的光程差区域选择出不同的波长出来，显现出对应波长的颜色。

三、实际生产中牛顿环产生的地方与原因

在液晶显示器模块中，有三种地方最容易产生牛顿环：

1、液晶显示器内部产生的彩虹

液晶显示器的盒厚一般都在10微米以下，如果里面的空间粒子数量不够，或分布不均匀，或是外框与内部支撑的空间粒子直径搭配不适合工场设计的工艺，都会产生彩虹缺陷。另一个主要的产生原因是，成盒过程中，盒内被超过空间粒子直径的外物所污染，这也是液晶显示器工场对于洁净环境管控十分严厉的缘由。

平凸透镜和平面透镜之间的空间薄膜的距离为e，平凸透镜曲率半径为R。

2、液晶显示器与电阻式触摸屏之间的水波纹（也叫水纹）

这种水波纹，同样是牛顿环中的一种，特别是电阻式触摸屏动作时，加在电阻式触摸屏上的外界压力引起电阻式触摸屏下表面弯曲变形时，会随着力度的变化，牛顿环的色彩半径也会移动、生成或消失，就跟水面投进石子产生的水波纹一样，所以这种牛顿环也叫水波纹或水纹，表现出来是会随动作地点和动作压力的变化而变化。

3、电阻式触摸屏内部的牛顿环（也叫彩虹纹）电阻式触摸屏在生产过程中，为了产生一个触动区域的变形量，外框的高度一般要比里面的支撑点高出很多，如果印制水性粘胶做外框的话，一般高度在50~70微米左右；如果是使用PET基材双面胶，一般也在50微米以上，而里面的支撑点，一般不到25微米，如果使用直径30~45微米的DOT，支撑点最后的成型高度也只有15~25微米左右。加上电阻式触摸屏的操作面，同样是为了产生一个触动区域的变形量，一般都是ITOFILM，材质是柔性的。这样，如果生产过程中工艺参数控制不精确，不用动作操作，处于产品靠中间部分的ITOFILM，自己都会塌陷，贴在支撑点上，产生曲面变形，这样，入射光线与两个ITO内表面的反面光线产生干涉，便形成了牛顿环。

四、如何测算预防牛顿环产生的设计参数

在实际生产中，如何有效的防止牛顿环的产生，同样可以根据牛顿环的光学规律进行预防。

在我们开始设计产品这初，可以根据产品外形尺寸，计算出内外框的高度数值是多少时，牛顿环的暗环内环半径，会落在产品尺寸以外，这样就可以优化出自己的设计参数。（如何计算及原理公式，可参考附件《等厚干涉实验》）

当然，上面这种方法只是理论上的验证，实际上，如果真正的按照计算数据，我们就无法做出客户需求的产品了，不过这种计算，可以指导我们在生产中，如何尽量靠近理论数值。有人会说，那计算出来的不一定准确，生产中又不能避免，就没有更好的办法了吗？有，还是参考附件《等厚干涉实验》的方法，用显微镜或千分尺来测出你的上膜往下变形偏移多少时，牛顿环就出现了，再算出你的牛顿环出现时最小的中间空间粒子或支撑点的厚度，如果与压力计一起配合，还能测出产品出现牛顿环时，所受的压力是多少。所以问题的出现，先从试验方法上论证，再从实验数据上验证，再从工艺参数上调整。

五、如何从工艺上预防牛顿环的产生

1、液晶显示器的彩虹

彩虹缺陷可以很快的用显微镜找到根源，如果是点状的，可以在显微镜下看到三种情况：空间粒子数量少，空间粒子聚集结团，盒内异物。这样的缺陷，就按观察到的现象，可以马上从调整前面空间粒子撒布机的参数，空间粒子撒布段与组合段的环境洁净维护两方面进行预防。

如果是整个液晶显示器都是彩虹，那要么是外框和盒内部空间粒子搭配错误，要么是盒内空间粒子数量不够或没有。这样的缺陷，可能检查前面空间粒子撒布的工艺材料参数，粒子检测数据上，调整参数进行预防。

2、电阻式触摸屏与液晶显示器间的水波纹

要防止水波纹的产生，一是增加电阻式触摸屏的强度，比如说原来是用PC基材的换成受力更大的压加力或玻璃材质，或者是由原来薄的基材，换成厚的基材。这也是为什么尺寸超过一定的电阻式触摸屏产品就要用2MM厚度的玻璃或强化玻璃的原因之一。所有的设计参数变化，都是有道理的，并不是从外面瞎抄就能抄到的，如果不明原理瞎抄，要么浪费你的材料和品质成本，要么无法避免自己潜在的品质缺陷与产品良品率其次是可以在满足客户要求的情况下，电阻式触摸屏与液晶显示器之间的组装双面胶选用更厚的厚度，让牛顿环的暗环移到产品尺寸之外。或者在电阻式触摸屏与液晶显示器的组装面也印制上支撑点，把外来压力通过支撑点转移到液晶显示器和主板外壳上，减少电阻式触摸屏的变形量，预防牛顿环，也就是水波纹的产生。如果能够满足产品的显示需求，在能接受显示效果的条件，也可以把电阻式触摸屏与液晶显示器组合面液晶显示器上的偏光片换成防眩偏光片。注意，防眩偏光片的近观显示效果比普通偏光片显示效果要差很多，特别是QVGA以上液晶显示器，如果更换后，显示图案的精细度、反应速度和对比度，都会明显下降，所以一定要最终客户确定显示效果后才能更换

3、电阻式触摸屏的牛顿环

电阻式触摸屏的牛顿环预防起来确实要比较麻烦，因为多数电阻式触摸屏的操作面，采用了柔性的ITOFILM基材。

预防电阻式触摸屏的牛顿环，首先要在ITOFILM调质处理过程中，选择好适合自己的工装治具和设备的调质处理参数，让ITOFILM各部分同步收缩，不产生因收缩不均匀产生的不平整，或把装载治具上的不平整转移到ITOFILM上。这种因ITOFILM调质处理没做好而产生的牛顿环，有个很明显的特点，如果是组合再分粒的产品，组合好后看不到牛顿环，但在产品分粒后48小时左右就会出现

支撑点的高度控制，也是预防牛顿环的主要方式，通过上面的计算，可以看出，去撑点的高度超过一定的数值，就会很难形成了，或都是间距很大，被淡化了，所以我们一定要保证一定的支撑点高度

支撑点的高度肯定与支撑点附著面积有一定的关系，在同样的条件下，高度越高，支撑点附著面积也越大，对于一些精细画质的液晶显示器来说，像素大小可能只有60到90微米，如果一个支撑点大小超过像素大小的一半以后，那么这个像素就会产生显示畸变，在一定的距离上观察，能把整个支撑点布局从显示画面上显现出来。为了解决这一问题，日本厂家在窄边设计的小尺寸产品中，使用模具或加垫片组合的方式，让产品填充空气，人为的增加产品内表面间的距离，即避免了牛顿环的出现，也不用为外框设计十分复杂又难制作的通气通道，同时也可以设计出附著面积很小的支撑点来充气方式的缺陷是，不能用在温差变化剧烈的环境里或大尺寸产品中。特别是印制水性粘胶的产品，由于又是窄边设计，又难以操作，造成粘结力不足。在温度剧烈变化后，很容易造成漏气，漏气后，避免牛顿环作用就没了。很多厂商的产品在出厂前放在自己恒温仓库没有问题，拿到客户的普通仓库放置一个星期，或干脆只是经过了汽车运输，产品就出现的牛顿环现象，就是这个原因。所以充气并不是对付牛顿环一招鲜的祖传秘方，如果不考虑产品的使用条件与环境，再加上其他的辅助工艺配合的话，起不到真正的作用。电阻式触摸屏敏感区的牛顿环，同样是各个工艺材料厚度的组合以及FPC热压温度压力参数不合适产生的，基本上可以调整FPC材料厚度和热压参数就可以解决

至于一些观看距离比较远的大尺寸显示器产品，因为像素尺寸也比较大，完全可以用50到60微米大小的支撑点，除非是支撑点印制不均匀或支撑点高度塌陷，一般不会出现牛顿环现象了。

六、牛顿环的应用

判断透镜表面凸凹、精确检验光学元件表面质量、测量透镜表面曲率半径和液体折射率。

在加工光学元件时，广泛采用牛顿环的原理来检查平面或曲面的面型准确度。

应用于光谱仪、把复合光分离成单色光的组成。