光学微结构雕刻

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、lenticular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Φ300X1000mm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 F0.03 Z-40. M56

Z-920.

G92 X=299.83 F0.03 Z-40. M56

Z-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Φ300X1000mm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，

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°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，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。

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。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。