光學(xué)微結(jié)構(gòu)雕刻

1、單點金剛石光學(xué)微結(jié)構(gòu)雕刻工藝初探南通天鴻鐳射科技有限公司邱曉華1， 總論隨著新型顯示技術(shù)的不斷更新發(fā)展，傳統(tǒng)意義上的光學(xué)顯示器件已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代顯示 技術(shù)的要求。人們對畫質(zhì)的要求越來越高，高清晰度、大尺寸、超輕薄、可彎曲、立體顯示 等技術(shù)不斷涌現(xiàn)。液晶顯示與等離子顯示技術(shù)目前在市場上已分出高下，過去CCFL作為主要顯示光源的時代已經(jīng)過去，隨之而來的LED顯示技術(shù)已經(jīng)成為主流，未來的OLED顯示技術(shù)則躍躍欲試。LCD顯示器中的功能性薄膜類光學(xué)元件主要有反射膜、增光膜、擴散膜、3D膜、偏振膜等，其中增光膜、擴散膜、3D膜在生產(chǎn)過程中都需要微結(jié)構(gòu)模具，而模具的生產(chǎn)制作都離不開單點金剛石車床，本文對超

2、精密CNC車床的使用工藝做個探討。2, 金剛石車床分類單點金剛石車床是用單點金剛石車刀對鋁合金和無氧化銅進行鏡面或微結(jié)構(gòu)切削，是一種用超精密加工技術(shù)和超精密加工機床對特殊材料進行精密加工。單點金剛石車床在 LCD顯示行業(yè)主要用來制作精密模具輥，例如V-CUT結(jié)構(gòu)、len ticular結(jié)構(gòu)。目前超精密單點金剛石車床大致有兩類，第一類是以美國、德國技術(shù)為代表的，以石 材為基礎(chǔ)，機床采用空氣主軸， 液體靜壓軸承和液體靜壓導(dǎo)軌。第二類是以亞洲技術(shù)為代表的，以超重鑄鐵床身為基礎(chǔ)，采用高精密P4軸承做主軸，精密滾珠絲杠為驅(qū)動，用FANUC伺服操作系統(tǒng)。兩類車床都能滿足增光膜、擴散膜、3D膜的微結(jié)構(gòu)模具開

3、發(fā)，但是在穩(wěn)定性上和超高精密微結(jié)構(gòu)雕刻上區(qū)別是顯而易見的。在制作微棱錐反光材料模具， 包括三棱錐、四棱錐等，第二類車床則完全不能勝任。3, 光學(xué)微結(jié)構(gòu)分類A,復(fù)合增光膜增光膜是LCD背光模組中最關(guān)鍵的功能性光學(xué)薄膜材料，其微觀結(jié)構(gòu)是在PET表面上有一層棱錐。LED點光源經(jīng)過導(dǎo)光板和擴散膜后形成各向同性的發(fā)散光，這些光線對 液晶顯示來說只是正面局部的光線被有效利用，而一些大發(fā)散角度的光線對液晶屏來說則是無效光，增光膜就是把這些無效的大發(fā)散角度的光線匯聚到正面使之成為有效光。液晶電視進入家庭后，人們要求電視能耗低、亮度高、對比度高等，而企業(yè)對增光 膜的要求也越來越復(fù)雜。在生產(chǎn)過程中為搭配不同的顯示

4、屏、不同的光源，對增光膜的 設(shè)計、結(jié)構(gòu)、參數(shù)的要求也不斷變化，這些變化導(dǎo)致了在模具滾輪加工方式上，成型工 藝上都會不同。目前常見的增光膜結(jié)構(gòu)有 90°角等高結(jié)構(gòu)，90°角高低結(jié)構(gòu)，90°角曲 線結(jié)構(gòu)，90°角波紋結(jié)構(gòu)，和 80-120 °角度與上述結(jié)構(gòu)的結(jié)合。1）等高結(jié)構(gòu)：90 °角等高結(jié)構(gòu)是目前最為簡單、最為有效的一種增光膜結(jié)構(gòu)，它在模具制作過程中也最為簡潔，程序編輯也十分簡單，一般采用等距螺 紋車削。例如車制300X1000mm的輥輪，90-30曲線結(jié)構(gòu)的模具。采用等 距螺紋車削參數(shù)設(shè)置為：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）高低結(jié)構(gòu)：90°角高低結(jié)構(gòu)是目前最為有效的消除干涉條紋的一種增光膜結(jié)構(gòu)，一般采用一高三低（1H3L）或者一高五低（1H5L）結(jié)構(gòu)。這種模具制 作也是采用等距螺紋車削，但是螺紋間距是各個周期結(jié)構(gòu)的總和，也就是 一高和三低的四個Pitch的總和。這種車削方式一般采用多刀車削，這種方式對車床的精度要求要比普通等高結(jié)構(gòu)對車床精度要求要高很多，主要 是車床的重復(fù)定位精度。例如：1H3L結(jié)構(gòu)一般需要重復(fù) 8個周期才能完成。3）曲線結(jié)構(gòu)：90°角曲線結(jié)構(gòu)是另外一種比較有效消除干

6、涉條紋的增光膜結(jié) 構(gòu)，車削這種結(jié)構(gòu)需要在車床車刀部分添加一種震蕩器，使得車刀在加工 過程中產(chǎn)生輕微抖動，該變化量非常輕微，不足以影響車床的車削時的精密度，但對微溝槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響（見圖）。例如車制300X1000mmt勺輥輪，90-30曲線結(jié)構(gòu)的模具。采用等距螺紋車削參數(shù)設(shè)置為：S=350,F=0.03 , X=299.88 ;車削循環(huán)次數(shù)=2;第一個循環(huán)不啟動震蕩器，在第二 個循環(huán)周期時啟動振蕩器，S=350, F=0.03 , X=299.83;4）其它結(jié)構(gòu)：除90°以外還有一些特殊角度設(shè)計的材料，例如120°, 125°,88 ° , 60&#

7、176;等等，主要目的是為了控制光線匯聚后的擴散角度。另外還有 頂角為90。但兩個側(cè)邊長度不一致的非等腰三角形的結(jié)構(gòu)，這類設(shè)計通常 是為了得到定向出射角度光而設(shè)計，較多的應(yīng)用在特殊屏幕顯示。最后介 紹一下縱向跳刀技術(shù)，在普通等高結(jié)構(gòu)程序設(shè)計的基礎(chǔ)上加裝X軸振動器，也就是在加工過程中不斷改變X軸的位置，改變方式通常要考慮主軸轉(zhuǎn)速、螺紋間距、每次的進刀量，振動頻率等諸多因素，所以調(diào)整起來非常復(fù)雜。B,裸眼3D光柵裸眼3D光柵膜是三維立體顯示器中最關(guān)鍵的功能性薄膜材料，其微觀結(jié)構(gòu)是PET表面有一層非球面半圓結(jié)構(gòu)的微光學(xué)柱面透鏡，該透鏡陣列的功能在于使以各種不同角度入射的光線，以相等的光能分布特性發(fā)散

8、，光線通過柱狀光柵產(chǎn)生視覺變化實現(xiàn)3D圖像顯示。在光學(xué)設(shè)計有很多關(guān)鍵點需要注意。首先是非球面半圓型結(jié)構(gòu)的設(shè)計，主要考慮液 晶顯示屏的紅綠藍三色光的出射點間距，其次要考慮柱面結(jié)構(gòu)的曲率半徑，第三要考慮 光柵透鏡陣列與顯示屏的距離。. iter- i y ill Jil-:士 - mi iIk illv I ulltxCK9 Ktwl在生產(chǎn)過程中也有很多問題需要注意。首先是在模具加工過程中半圓型單元結(jié)構(gòu)的誤差，因為在加工過程中單元結(jié)構(gòu)的累計誤差會直接影響到圖像的顯示結(jié)果。其次是加 工周期中的溫度變化，紫銅的熱膨脹系數(shù)是0.167*10-4米/度，溫度變化造成的 Pitch誤差足以影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。

9、其他問題按照一般等高結(jié)構(gòu)的注意事項就可以。C,柱面菲涅爾光柵聚光光伏發(fā)電是低成本太陽能發(fā)電的重要發(fā)展方向，該系統(tǒng)與常規(guī)太陽能光伏發(fā)電相比組件價格降低 40%左右，發(fā)電成本降低 60%以上。聚光柱面菲涅爾透鏡是聚光光伏 發(fā)電系統(tǒng)最主要的核心組件之一，采用柱面線聚焦透鏡的聚焦光伏發(fā)電的技術(shù)特點是： 聚焦透鏡的反射損失小，面形容許偏差大。(a)原始透鏡(b)菲涅耳透儻(c)卑涅耳透鏡瞪賤原理從剖面圖看柱面菲涅爾透鏡是在透鏡的一側(cè)具有等距的齒紋，中心部分是橢圓弧形線，每個凹槽都與相鄰凹槽之間的角度不同，但都將光線匯聚到一條線上。柱面菲涅爾 透鏡精密模具是制作高精度聚光透鏡的關(guān)鍵因素，透鏡模具的設(shè)計要求

10、是將聚光透鏡幾何圖形精確的雕刻到模具上。在實際生產(chǎn)中使用UV復(fù)制技術(shù)，需要考慮到復(fù)制過程中的材料聚合時的收縮量，或者采用熱固化時的材料溫度變化造成的收縮，因此要選用合 適的加工工藝和加工方法實現(xiàn)高精度模具制作。首先制作出經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的柱面鏡曲線圖，再計算出理想菲涅爾透鏡圖，將柱面透鏡的每個微尖錐的位置、角度、高度精確轉(zhuǎn)化為透鏡平鋪時所對應(yīng)的位置。然后將柱面 透鏡的平鋪外形圖轉(zhuǎn)換為透鏡模具的外形圖，計算確定微尖錐所對應(yīng)模具溝槽的位置、 角度、高度。最后按圖紙訂購刀具，采用超精密車床，按照程序、順序加工。柱面菲涅爾模具的制作過程非常復(fù)雜繁瑣，在生產(chǎn)制作過程中的幾個關(guān)鍵點要特別 注意。 機械零點和系

11、統(tǒng)零點的設(shè)置， 然后進入零點對刀。 在模具生產(chǎn)過程中需要使用多把刀具，通常是多把刀具一次性裝夾在刀塔上，再分別用測量顯微鏡或精密車床自帶的檢測系統(tǒng)分別對每把刀具進行測量，設(shè)定每把刀具的零點與系統(tǒng)參考零點的相對位置，然后CNC自動執(zhí)行程序就可以完成模具的雕刻。 雖然CNC可以按照程序執(zhí)行任務(wù)，但是在模具雕刻過程中還有另外一個關(guān)鍵點就是雕刻次序，在 CNC執(zhí)行程序過程中每個溝槽至少需要重復(fù)執(zhí)行雕刻2次以上，每個菲涅爾透鏡都至少需要 5把以上的刀具，那么就存在N種程序 的寫法。理論上雕刻次序和換刀次序在最終結(jié)果上應(yīng)該是一致的， 但實際操 作中雕刻次序和換刀次序?qū)ψ罱K結(jié)果都起到了決定性的作用。 在CN

12、C實際工作過程中，由于在加工過程中刀具車削工件產(chǎn)生的熱量造成工件溫度上升，所以保持溫度的恒定也是至關(guān)重要的。另外一點就是切削排費,切削下的微量費屑會對刀具和工件造成污染，該污染可能是永久性和致命性的問題，所以排屑系統(tǒng)也是至關(guān)重要的。其微觀結(jié)構(gòu)是PET表面有一層D,霧面(擴散)膜 霧面膜也是LCD背光模組中關(guān)鍵的功能性薄膜材料,半圓形或半橢圓型的圓點。LED點光源經(jīng)過導(dǎo)光板后就進入霧面膜，形成各向同性的發(fā)散光，霧面膜就是將光線形成大角度發(fā)散光線均勻的面光源。液晶電視對LCD背光模組要求低能耗、亮度，所以對霧面膜的要求也越來越復(fù)雜。在復(fù)合型增光膜中要求擴散面的霧度不會太高，但透光率確要求很高。對純

13、霧面（擴散）膜的設(shè)計要求霧度要盡可能高，而對透光率的要求相對較低。對霧面膜的結(jié)構(gòu)、參數(shù)的 要求不同，這些變化導(dǎo)致了在模具滾輪加工方式上，成型工藝上都會不同。一般的霧面輪加工程序是先在銅輥表面加工鏡面，然后采用噴砂等處理方法加工出不同霧度的霧面輪。其中超級鏡面加工要求遠高于對雕刻微結(jié)構(gòu)輪的鏡面要求，因為微 結(jié)構(gòu)雕刻會對鏡面進行二次車削，而二次車削的深度遠大于鏡面車削時產(chǎn)生的不平整 度，所以雕刻微結(jié)構(gòu)輪的鏡面要求比霧面輪對鏡面的要求低很多。鏡面車削主要難點在于刀具的選擇、刀具的角度和程序的設(shè)定。 刀具的選擇：目前精密鏡面車削刀具主要選擇單點金剛石車刀，金剛石車刀按照材質(zhì)又分為人造金剛石和天然金剛石

14、，按照形狀又分為大圓弧角度刀和平直刀具。其中大圓弧角度刀適合做雕刻微結(jié)構(gòu)輪的鏡面，主要原因是大圓 弧角度刀在切削過程中工件對刀具對的阻力相對較小，刀具磨損小、壽命長。 刀具的角度：在使用同一產(chǎn)品同一程序的情況下，刀具的切削角度對產(chǎn)品的最終結(jié)果竟然完全不同。平直刀具在完全與輪面平行的情況下，工件對刀的 阻力最大，通常情況下會損壞金剛石刀具。通常切削方向和刀具之間要形成 一個小的夾角，該角度的大小與工件的轉(zhuǎn)速，以及刀具的進給量有直接關(guān)系。 程序的設(shè)定：在鏡面輪表面設(shè)定為參考零點時x=o.o, 般情況下程序可以設(shè)定為S=400, G99 F=0.03 X= -0.02，每轉(zhuǎn)給進量F需要根據(jù)刀具的夾角

15、 和刀具的寬度來設(shè)定，給進量與夾角有個比例參數(shù)。4, 單點金剛石車床功能拓展精密單點金剛石車床可以滿足LCD顯示行業(yè)制作精密模具輥，但對于另外一些特殊要求的模具就無能為力了，例如圖10中所示的三棱錐或多棱錐結(jié)構(gòu)。精密單點金剛石車床是一種三軸的精密車床， 其精密度和操作的簡便性毋庸置疑，在不改變主體結(jié)構(gòu)的情況下加裝第四根主軸是完全可行的。第四精密主軸加裝要求：1加裝主軸與原車床平面的垂直度，2,加裝主軸中心高度與原 車床的中心高度的一致性， 3加裝主軸的編碼器與原車床的通信。這三條對最終產(chǎn)品加工精 度起了至關(guān)重要的決定性作用。5,結(jié)束語影響超精密加工精度的因素有很多，機床的加工精度、光潔度和刀具壽命與機床的剛性等等，由于刀具在切削過程中的熱變形無法完全避免，機床的數(shù)控系統(tǒng)可以對刀具弓I起的Z軸誤差作出補償。機床運行時產(chǎn)生的熱量所造成的熱變形對加工精度會產(chǎn)生巨 大的影響，因此需要維持機床所處環(huán)境的溫度恒定，機床工作期間冷卻液循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)各個熱源的發(fā)熱量供應(yīng)比室溫低 2C的冷卻液。超精密加工開始從高技術(shù)裝備制造領(lǐng)域走向消費品生產(chǎn)領(lǐng)域。應(yīng)用最為廣泛的是各種電子產(chǎn)品中的塑料成像鏡頭，如