光学微结构雕刻

1、单点金刚石光学微结构雕刻工艺初探南通天鸿镭射科技有限公司邱晓华1， 总论随着新型显示技术的不断更新发展，传统意义上的光学显示器件已经不能满足现代显示 技术的要求。人们对画质的要求越来越高，高清晰度、大尺寸、超轻薄、可弯曲、立体显示 等技术不断涌现。液晶显示与等离子显示技术目前在市场上已分出高下，过去CCFL作为主要显示光源的时代已经过去，随之而来的LED显示技术已经成为主流，未来的OLED显示技术则跃跃欲试。LCD显示器中的功能性薄膜类光学元件主要有反射膜、增光膜、扩散膜、3D膜、偏振膜等，其中增光膜、扩散膜、3D膜在生产过程中都需要微结构模具，而模具的生产制作都离不开单点金刚石车床，本文对超

2、精密CNC车床的使用工艺做个探讨。2, 金刚石车床分类单点金刚石车床是用单点金刚石车刀对铝合金和无氧化铜进行镜面或微结构切削，是一种用超精密加工技术和超精密加工机床对特殊材料进行精密加工。单点金刚石车床在 LCD显示行业主要用来制作精密模具辊，例如V-CUT结构、len ticular结构。目前超精密单点金刚石车床大致有两类，第一类是以美国、德国技术为代表的，以石 材为基础，机床采用空气主轴， 液体静压轴承和液体静压导轨。第二类是以亚洲技术为代表的，以超重铸铁床身为基础，采用高精密P4轴承做主轴，精密滚珠丝杠为驱动，用FANUC伺服操作系统。两类车床都能满足增光膜、扩散膜、3D膜的微结构模具开

3、发，但是在稳定性上和超高精密微结构雕刻上区别是显而易见的。在制作微棱锥反光材料模具， 包括三棱锥、四棱锥等，第二类车床则完全不能胜任。3, 光学微结构分类A,复合增光膜增光膜是LCD背光模组中最关键的功能性光学薄膜材料，其微观结构是在PET表面上有一层棱锥。LED点光源经过导光板和扩散膜后形成各向同性的发散光，这些光线对 液晶显示来说只是正面局部的光线被有效利用，而一些大发散角度的光线对液晶屏来说则是无效光，增光膜就是把这些无效的大发散角度的光线汇聚到正面使之成为有效光。液晶电视进入家庭后，人们要求电视能耗低、亮度高、对比度高等，而企业对增光 膜的要求也越来越复杂。在生产过程中为搭配不同的显示

4、屏、不同的光源，对增光膜的 设计、结构、参数的要求也不断变化，这些变化导致了在模具滚轮加工方式上，成型工 艺上都会不同。目前常见的增光膜结构有 90°角等高结构，90°角高低结构，90°角曲 线结构，90°角波纹结构，和 80-120 °角度与上述结构的结合。1）等高结构：90 °角等高结构是目前最为简单、最为有效的一种增光膜结构，它在模具制作过程中也最为简洁，程序编辑也十分简单，一般采用等距螺 纹车削。例如车制300X1000mm的辊轮，90-30曲线结构的模具。采用等 距螺纹车削参数设置为：S=350,G92 X=299.88 F

5、0.03 Z-40. M56Z-920.G92 X=299.83 F0.03 Z-40. M56Z-920.2）高低结构：90°角高低结构是目前最为有效的消除干涉条纹的一种增光膜结构，一般采用一高三低（1H3L）或者一高五低（1H5L）结构。这种模具制 作也是采用等距螺纹车削，但是螺纹间距是各个周期结构的总和，也就是 一高和三低的四个Pitch的总和。这种车削方式一般采用多刀车削，这种方式对车床的精度要求要比普通等高结构对车床精度要求要高很多，主要 是车床的重复定位精度。例如：1H3L结构一般需要重复 8个周期才能完成。3）曲线结构：90°角曲线结构是另外一种比较有效消除干

6、涉条纹的增光膜结 构，车削这种结构需要在车床车刀部分添加一种震荡器，使得车刀在加工 过程中产生轻微抖动，该变化量非常轻微，不足以影响车床的车削时的精密度，但对微沟槽结构产生一定的影响（见图）。例如车制300X1000mmt勺辊轮，90-30曲线结构的模具。采用等距螺纹车削参数设置为：S=350,F=0.03 , X=299.88 ;车削循环次数=2;第一个循环不启动震荡器，在第二 个循环周期时启动振荡器，S=350, F=0.03 , X=299.83;4）其它结构：除90°以外还有一些特殊角度设计的材料，例如120°, 125°,88 ° , 60&#

7、176;等等，主要目的是为了控制光线汇聚后的扩散角度。另外还有 顶角为90。但两个侧边长度不一致的非等腰三角形的结构，这类设计通常 是为了得到定向出射角度光而设计，较多的应用在特殊屏幕显示。最后介 绍一下纵向跳刀技术，在普通等高结构程序设计的基础上加装X轴振动器，也就是在加工过程中不断改变X轴的位置，改变方式通常要考虑主轴转速、螺纹间距、每次的进刀量，振动频率等诸多因素，所以调整起来非常复杂。B,裸眼3D光栅裸眼3D光栅膜是三维立体显示器中最关键的功能性薄膜材料，其微观结构是PET表面有一层非球面半圆结构的微光学柱面透镜，该透镜阵列的功能在于使以各种不同角度入射的光线，以相等的光能分布特性发散

8、，光线通过柱状光栅产生视觉变化实现3D图像显示。在光学设计有很多关键点需要注意。首先是非球面半圆型结构的设计，主要考虑液 晶显示屏的红绿蓝三色光的出射点间距，其次要考虑柱面结构的曲率半径，第三要考虑 光栅透镜阵列与显示屏的距离。. iter- i y ill Jil-:士 - mi iIk illv I ulltxCK9 Ktwl在生产过程中也有很多问题需要注意。首先是在模具加工过程中半圆型单元结构的误差，因为在加工过程中单元结构的累计误差会直接影响到图像的显示结果。其次是加 工周期中的温度变化，紫铜的热膨胀系数是0.167*10-4米/度，温度变化造成的 Pitch误差足以影响到产品的质量。

9、其他问题按照一般等高结构的注意事项就可以。C,柱面菲涅尔光栅聚光光伏发电是低成本太阳能发电的重要发展方向，该系统与常规太阳能光伏发电相比组件价格降低 40%左右，发电成本降低 60%以上。聚光柱面菲涅尔透镜是聚光光伏 发电系统最主要的核心组件之一，采用柱面线聚焦透镜的聚焦光伏发电的技术特点是： 聚焦透镜的反射损失小，面形容许偏差大。(a)原始透镜(b)菲涅耳透傥(c)卑涅耳透鏡瞪贱原理从剖面图看柱面菲涅尔透镜是在透镜的一侧具有等距的齿纹，中心部分是椭圆弧形线，每个凹槽都与相邻凹槽之间的角度不同，但都将光线汇聚到一条线上。柱面菲涅尔 透镜精密模具是制作高精度聚光透镜的关键因素，透镜模具的设计要求

10、是将聚光透镜几何图形精确的雕刻到模具上。在实际生产中使用UV复制技术，需要考虑到复制过程中的材料聚合时的收缩量，或者采用热固化时的材料温度变化造成的收缩，因此要选用合 适的加工工艺和加工方法实现高精度模具制作。首先制作出经过优化设计的柱面镜曲线图，再计算出理想菲涅尔透镜图，将柱面透镜的每个微尖锥的位置、角度、高度精确转化为透镜平铺时所对应的位置。然后将柱面 透镜的平铺外形图转换为透镜模具的外形图，计算确定微尖锥所对应模具沟槽的位置、 角度、高度。最后按图纸订购刀具，采用超精密车床，按照程序、顺序加工。柱面菲涅尔模具的制作过程非常复杂繁琐，在生产制作过程中的几个关键点要特别 注意。 机械零点和系

11、统零点的设置， 然后进入零点对刀。 在模具生产过程中需要使用多把刀具，通常是多把刀具一次性装夹在刀塔上，再分别用测量显微镜或精密车床自带的检测系统分别对每把刀具进行测量，设定每把刀具的零点与系统参考零点的相对位置，然后CNC自动执行程序就可以完成模具的雕刻。 虽然CNC可以按照程序执行任务，但是在模具雕刻过程中还有另外一个关键点就是雕刻次序，在 CNC执行程序过程中每个沟槽至少需要重复执行雕刻2次以上，每个菲涅尔透镜都至少需要 5把以上的刀具，那么就存在N种程序 的写法。理论上雕刻次序和换刀次序在最终结果上应该是一致的， 但实际操 作中雕刻次序和换刀次序对最终结果都起到了决定性的作用。 在CN

12、C实际工作过程中，由于在加工过程中刀具车削工件产生的热量造成工件温度上升，所以保持温度的恒定也是至关重要的。另外一点就是切削排费,切削下的微量费屑会对刀具和工件造成污染，该污染可能是永久性和致命性的问题，所以排屑系统也是至关重要的。其微观结构是PET表面有一层D,雾面(扩散)膜 雾面膜也是LCD背光模组中关键的功能性薄膜材料,半圆形或半椭圆型的圆点。LED点光源经过导光板后就进入雾面膜，形成各向同性的发散光，雾面膜就是将光线形成大角度发散光线均匀的面光源。液晶电视对LCD背光模组要求低能耗、亮度，所以对雾面膜的要求也越来越复杂。在复合型增光膜中要求扩散面的雾度不会太高，但透光率确要求很高。对纯

13、雾面（扩散）膜的设计要求雾度要尽可能高，而对透光率的要求相对较低。对雾面膜的结构、参数的 要求不同，这些变化导致了在模具滚轮加工方式上，成型工艺上都会不同。一般的雾面轮加工程序是先在铜辊表面加工镜面，然后采用喷砂等处理方法加工出不同雾度的雾面轮。其中超级镜面加工要求远高于对雕刻微结构轮的镜面要求，因为微 结构雕刻会对镜面进行二次车削，而二次车削的深度远大于镜面车削时产生的不平整 度，所以雕刻微结构轮的镜面要求比雾面轮对镜面的要求低很多。镜面车削主要难点在于刀具的选择、刀具的角度和程序的设定。 刀具的选择：目前精密镜面车削刀具主要选择单点金刚石车刀，金刚石车刀按照材质又分为人造金刚石和天然金刚石

14、，按照形状又分为大圆弧角度刀和平直刀具。其中大圆弧角度刀适合做雕刻微结构轮的镜面，主要原因是大圆 弧角度刀在切削过程中工件对刀具对的阻力相对较小，刀具磨损小、寿命长。 刀具的角度：在使用同一产品同一程序的情况下，刀具的切削角度对产品的最终结果竟然完全不同。平直刀具在完全与轮面平行的情况下，工件对刀的 阻力最大，通常情况下会损坏金刚石刀具。通常切削方向和刀具之间要形成 一个小的夹角，该角度的大小与工件的转速，以及刀具的进给量有直接关系。 程序的设定：在镜面轮表面设定为参考零点时x=o.o, 般情况下程序可以设定为S=400, G99 F=0.03 X= -0.02，每转给进量F需要根据刀具的夹角

15、 和刀具的宽度来设定，给进量与夹角有个比例参数。4, 单点金刚石车床功能拓展精密单点金刚石车床可以满足LCD显示行业制作精密模具辊，但对于另外一些特殊要求的模具就无能为力了，例如图10中所示的三棱锥或多棱锥结构。精密单点金刚石车床是一种三轴的精密车床， 其精密度和操作的简便性毋庸置疑，在不改变主体结构的情况下加装第四根主轴是完全可行的。第四精密主轴加装要求：1加装主轴与原车床平面的垂直度，2,加装主轴中心高度与原 车床的中心高度的一致性， 3加装主轴的编码器与原车床的通信。这三条对最终产品加工精 度起了至关重要的决定性作用。5,结束语影响超精密加工精度的因素有很多，机床的加工精度、光洁度和刀具寿命与机床的刚性等等，由于刀具在切削过程中的热变形无法完全避免，机床的数控系统可以对刀具弓I起的Z轴误差作出补偿。机床运行时产生的热量所造成的热变形对加工精度会产生巨 大的影响，因此需要维持机床所处环境的温度恒定，机床工作期间冷却液循环系统根据各个热源的发热量供应比室温低 2C的冷却液。超精密加工开始从高技术装备制造领域走向消费品生产领域。应用最为广泛的是各种电子产品中的塑料成像镜头，如