光學(xué)微結(jié)構(gòu)雕刻

1、單點(diǎn)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(duì)畫(huà)質(zhì)的要求越來(lái)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(chǎng)上已分出高下，過(guò)去CCFL作為主要顯示光源的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去，隨之而來(lái)的LED顯示技術(shù)已經(jīng)成為主流，未來(lái)的OLED顯示技術(shù)則躍躍欲試。LCD顯示器中的功能性薄膜類(lèi)光學(xué)元件主要有反射膜、增光膜、擴(kuò)散膜、3D膜、偏振膜等，其中增光膜、擴(kuò)散膜、3D膜在生產(chǎn)過(guò)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(kāi)單點(diǎn)金剛石車(chē)床，本文對(duì)超

2、精密CNC車(chē)床的使用工藝做個(gè)探討。2, 金剛石車(chē)床分類(lèi)單點(diǎn)金剛石車(chē)床是用單點(diǎn)金剛石車(chē)刀對(duì)鋁合金和無(wú)氧化銅進(jìn)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(jī)床對(duì)特殊材料進(jìn)行精密加工。單點(diǎn)金剛石車(chē)床在 LCD顯示行業(yè)主要用來(lái)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(diǎn)金剛石車(chē)床大致有兩類(lèi)，第一類(lèi)是以美國(guó)、德國(guó)技術(shù)為代表的，以石 材為基礎(chǔ)，機(jī)床采用空氣主軸， 液體靜壓軸承和液體靜壓導(dǎo)軌。第二類(lèi)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(dòng)，用FANUC伺服操作系統(tǒng)。兩類(lèi)車(chē)床都能滿足增光膜、擴(kuò)散膜、3D膜的微結(jié)構(gòu)模具開(kāi)

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(jiàn)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(lèi)車(chē)床則完全不能勝任。3, 光學(xué)微結(jié)構(gòu)分類(lèi)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(diǎn)光源經(jīng)過(guò)導(dǎo)光板和擴(kuò)散膜后形成各向同性的發(fā)散光，這些光線對(duì) 液晶顯示來(lái)說(shuō)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(duì)液晶屏來(lái)說(shuō)則是無(wú)效光，增光膜就是把這些無(wú)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(jìn)入家庭后，人們要求電視能耗低、亮度高、對(duì)比度高等，而企業(yè)對(duì)增光 膜的要求也越來(lái)越復(fù)雜。在生產(chǎn)過(guò)程中為搭配不同的顯示

4、屏、不同的光源，對(duì)增光膜的 設(shè)計(jì)、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(huì)不同。目前常見(jiàn)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(jiǎn)單、最為有效的一種增光膜結(jié)構(gòu)，它在模具制作過(guò)程中也最為簡(jiǎn)潔，程序編輯也十分簡(jiǎn)單，一般采用等距螺 紋車(chē)削。例如車(chē)制300X1000mm的輥輪，90-30曲線結(jié)構(gòu)的模具。采用等 距螺紋車(chē)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(chē)削，但是螺紋間距是各個(gè)周期結(jié)構(gòu)的總和，也就是 一高和三低的四個(gè)Pitch的總和。這種車(chē)削方式一般采用多刀車(chē)削，這種方式對(duì)車(chē)床的精度要求要比普通等高結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)床精度要求要高很多，主要 是車(chē)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(gè)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(chē)削這種結(jié)構(gòu)需要在車(chē)床車(chē)刀部分添加一種震蕩器，使得車(chē)刀在加工 過(guò)程中產(chǎn)生輕微抖動(dòng)，該變化量非常輕微，不足以影響車(chē)床的車(chē)削時(shí)的精密度，但對(duì)微溝槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響（見(jiàn)圖）。例如車(chē)制300X1000mmt勺輥輪，90-30曲線結(jié)構(gòu)的模具。采用等距螺紋車(chē)削參數(shù)設(shè)置為：S=350,F=0.03 , X=299.88 ;車(chē)削循環(huán)次數(shù)=2;第一個(gè)循環(huán)不啟動(dòng)震蕩器，在第二 個(gè)循環(huán)周期時(shí)啟動(dòng)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(jì)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(kuò)散角度。另外還有 頂角為90。但兩個(gè)側(cè)邊長(zhǎng)度不一致的非等腰三角形的結(jié)構(gòu)，這類(lèi)設(shè)計(jì)通常 是為了得到定向出射角度光而設(shè)計(jì)，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(jì)的基礎(chǔ)上加裝X軸振動(dòng)器，也就是在加工過(guò)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(jìn)刀量，振動(dòng)頻率等諸多因素，所以調(diào)整起來(lái)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(guò)柱狀光柵產(chǎn)生視覺(jué)變化實(shí)現(xiàn)3D圖像顯示。在光學(xué)設(shè)計(jì)有很多關(guān)鍵點(diǎn)需要注意。首先是非球面半圓型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要考慮液 晶顯示屏的紅綠藍(lán)三色光的出射點(diǎn)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(guò)程中也有很多問(wèn)題需要注意。首先是在模具加工過(guò)程中半圓型單元結(jié)構(gòu)的誤差，因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中單元結(jié)構(gòu)的累計(jì)誤差會(huì)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(wèn)題按照一般等高結(jié)構(gòu)的注意事項(xiàng)就可以。C,柱面菲涅爾光柵聚光光伏發(fā)電是低成本太陽(yáng)能發(fā)電的重要發(fā)展方向，該系統(tǒng)與常規(guī)太陽(yáng)能光伏發(fā)電相比組件價(jià)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(diǎn)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(gè)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(jì)要求

10、是將聚光透鏡幾何圖形精確的雕刻到模具上。在實(shí)際生產(chǎn)中使用UV復(fù)制技術(shù)，需要考慮到復(fù)制過(guò)程中的材料聚合時(shí)的收縮量，或者采用熱固化時(shí)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(shí)現(xiàn)高精度模具制作。首先制作出經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的柱面鏡曲線圖，再計(jì)算出理想菲涅爾透鏡圖，將柱面透鏡的每個(gè)微尖錐的位置、角度、高度精確轉(zhuǎn)化為透鏡平鋪時(shí)所對(duì)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(jì)算確定微尖錐所對(duì)應(yīng)模具溝槽的位置、 角度、高度。最后按圖紙訂購(gòu)刀具，采用超精密車(chē)床，按照程序、順序加工。柱面菲涅爾模具的制作過(guò)程非常復(fù)雜繁瑣，在生產(chǎn)制作過(guò)程中的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)要特別 注意。 機(jī)械零點(diǎn)和系

11、統(tǒng)零點(diǎn)的設(shè)置， 然后進(jìn)入零點(diǎn)對(duì)刀。 在模具生產(chǎn)過(guò)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(cè)量顯微鏡或精密車(chē)床自帶的檢測(cè)系統(tǒng)分別對(duì)每把刀具進(jìn)行測(cè)量，設(shè)定每把刀具的零點(diǎn)與系統(tǒng)參考零點(diǎn)的相對(duì)位置，然后CNC自動(dòng)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(guò)程中還有另外一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是雕刻次序，在 CNC執(zhí)行程序過(guò)程中每個(gè)溝槽至少需要重復(fù)執(zhí)行雕刻2次以上，每個(gè)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(xiě)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(shí)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(shí)際工作過(guò)程中，由于在加工過(guò)程中刀具車(chē)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(diǎn)就是切削排費(fèi),切削下的微量費(fèi)屑會(huì)對(duì)刀具和工件造成污染，該污染可能是永久性和致命性的問(wèn)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(kuò)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(diǎn)。LED點(diǎn)光源經(jīng)過(guò)導(dǎo)光板后就進(jìn)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(duì)LCD背光模組要求低能耗、亮度，所以對(duì)霧面膜的要求也越來(lái)越復(fù)雜。在復(fù)合型增光膜中要求擴(kuò)散面的霧度不會(huì)太高，但透光率確要求很高。對(duì)純

13、霧面（擴(kuò)散）膜的設(shè)計(jì)要求霧度要盡可能高，而對(duì)透光率的要求相對(duì)較低。對(duì)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(huì)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(jí)鏡面加工要求遠(yuǎn)高于對(duì)雕刻微結(jié)構(gòu)輪的鏡面要求，因?yàn)槲?結(jié)構(gòu)雕刻會(huì)對(duì)鏡面進(jìn)行二次車(chē)削，而二次車(chē)削的深度遠(yuǎn)大于鏡面車(chē)削時(shí)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(duì)鏡面的要求低很多。鏡面車(chē)削主要難點(diǎn)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(chē)削刀具主要選擇單點(diǎn)金剛石車(chē)刀，金剛石車(chē)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(guò)程中工件對(duì)刀具對(duì)的阻力相對(duì)較小，刀具磨損小、壽命長(zhǎng)。 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(duì)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(duì)刀的 阻力最大，通常情況下會(huì)損壞金剛石刀具。通常切削方向和刀具之間要形成 一個(gè)小的夾角，該角度的大小與工件的轉(zhuǎn)速，以及刀具的進(jìn)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(diǎn)時(shí)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(jìn)量F需要根據(jù)刀具的夾角

15、 和刀具的寬度來(lái)設(shè)定，給進(jìn)量與夾角有個(gè)比例參數(shù)。4, 單點(diǎn)金剛石車(chē)床功能拓展精密單點(diǎn)金剛石車(chē)床可以滿足LCD顯示行業(yè)制作精密模具輥，但對(duì)于另外一些特殊要求的模具就無(wú)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(diǎn)金剛石車(chē)床是一種三軸的精密車(chē)床， 其精密度和操作的簡(jiǎn)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(chē)床平面的垂直度，2,加裝主軸中心高度與原 車(chē)床的中心高度的一致性， 3加裝主軸的編碼器與原車(chē)床的通信。這三條對(duì)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(yǔ)影響超精密加工精度的因素有很多，機(jī)床的加工精度、光潔度和刀具壽命與機(jī)床的剛性等等，由于刀具在切削過(guò)程中的熱變形無(wú)法完全避免，機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)可以對(duì)刀具弓I起的Z軸誤差作出補(bǔ)償。機(jī)床運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量所造成的熱變形對(duì)加工精度會(huì)產(chǎn)生巨 大的影響，因此需要維持機(jī)床所處環(huán)境的溫度恒定，機(jī)床工作期間冷卻液循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)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(kāi)始從高技術(shù)裝備制造領(lǐng)域走向消費(fèi)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