光学加工技术范文篇1

关键词:背光模组;光学膜;关键件

中图分类号:TN141.9文献标识码:B

Development&MassProductionofKeyComponentsofBLUforLCD

ZHANGYi-min,WUQing-fu

(ChengdufscreenSci-TechCo.,Ltd.,ChengduSichuan611741,China)

Abstract:ThekeycomponentsinLCDBLU(backlightunit)――LGP(lightguideplate),Diffusionfilm,BEF(brightnessenhancementfilm),couldbeseenasthelargeareamicrostructureopticalcomponentsintermoftechnology,thesecomponentshelptodistributethelightmoreevenlyandmoreefficientlythroughmicrostructureopticalpatternanddiffusersoastodeliverythebrightnessanduniformimage.ThedesignandmanufacturingfortheseopticalcomponentsinvolvesseveraltechnologiesandmanufacturingcapabilitiesincludingOptics,PolymerMaterials,PrecisionToolingMachine,Fabricationmethods.AlthoughtherearenoshortageofcompaniesengaginginLCDBLU,noneofthempossesstheknow-how,thesearenotenoughtofosterlocalindustryIndustrialclustersandtoimproveregionalandnationaldevelopment.ChengduFscreenSci-TechCo.,Ltd.hasbeenengagedinresearchanddevelopmentofopticalmicro-structurecomponentsfor10years,hasestablishedintegrated,proprietary,fundamentaltechnicalsystem,allthesearestrongsupportivetoimplementationofLCDBLUkeycomponents.

Keywords:backlightmodule;opticalfilm;keycomponents

引言

一般而论,TFT-LCD显示器由三个主要部件组成,即TFT-LCD(液晶)面板、背光模组、驱动电路。而背光模组主要是由光源(lightsource:包括冷阴极荧光管、发光二极管、反射膜(reflector)、导光板、扩散片(diffusionsheet,1~2片)、增亮膜(brightnessenhancementfilm,1~2片)及外框等组件组装而成,其中光学膜片与导光板是主要的技术和成本所在。

而本文所指关键件是指导光板、扩散膜、增光膜(棱镜片)。

(1)导光板:主要功能在于引导光线的方向,以提高面板亮度及控制光线均匀度,是影响光效率的重要元件;通常是采用基础工艺生产的光学级PMMA板材印刷网点。相对增光膜来讲,工艺技术较简单,国内已有企业在生产;

(2)扩散膜:主要功能是提升光线向上亮度(brightness),并将导光板射出的光线柔散化,以提供均匀的面光源,通常做法是在PET基材上涂布光学粒子颗粒/玻璃微珠。国内能够生产小尺寸的扩散膜,随着电视机面板尺寸的增大,大尺寸扩散板(膜)却是国内空白;

(3)棱镜片:也叫增光膜,主要功能是凝聚光线、提高正面亮度,主要以聚脂(PETG.PC.PMMA)为原料,主要技术难点是花纹模辊的制造,国内还不能生产。

微型表面结构一般为棱形柱体或半圆柱体。导光板、扩散膜、镜片作为背光模组重要的组成件,其作用都是对光的引导与控制,可称为光管理元件,从技术的实质上就是微细结构光学元件。

通常微细结构光学领域包含了四个方面的技术:光学设计、光学材料、超精密模具和模具设备、精密成型工艺与设备,是典型的综合性高科技领域。世界上在微细结构光学器件制造领域的技术比较领先的属于美国、日本和韩国,我国台湾地区也能生产部分低端产品。

由于增光膜涉及到大型超精密模具加工的单点金刚石机床,因此国内暂不能生产。也正是由于我国这一基础工业的缺失,导致至今国内不能生产增光膜,特别是用于TFT-LCD彩色电视机的大尺寸增光膜片,在液晶显示产业风起云涌之时,增光膜的生产仍然是国内空白。

近年来,LCD液晶显示器已成为彩色电视机的主流显示方式,除广泛用于笔记本电脑、监视器以外,也已广泛应用于彩电领域,特别是大尺寸的彩色电视机。国外面板主要规格可以做到26~55in,更大尺寸彩电的面板和背光模组均给生产带来更大的困难。

2008年起全球的液晶显示器产量已超过40,000万台以上,每年以不低于20%的速度递增。2007年全球的液晶彩电仅有700多万台,至2009年仅中国的液晶彩电产量就已达2,000万台以上,使我国液晶平板电视产量增速远远超过国际水平。同时我国是世界上彩色电视生产量和消费量均为第一的国家,这一产业的迅速发展使我国正从一个电子信息大国向电子信息强国发展,特别是TFT-LCD产业已经得到国家发改委和工信部的支持,大力发展液晶产业的格局已经形成。

2009年底以来,在上广电、京东方、龙腾光电已在建的TFT-LCD五代线的基础上,又有江苏昆山的龙腾光电8.5代线、南京中电熊猫的6代线、CEC与夏普合资建设的8代线、京东方的8代线、LG在广州的8.5代线、三星在苏州的7.5代线以及TCL在惠州的8.5代线相继动工建设,这些总投资达2,000亿以上的高世代面板线的建设,促使2009年成为中国大尺寸TFT-LCD面板产业发展的突破年。这样庞大的投资是全球LCD产业中前所未有的,从而将使我国的制造能力获得极大的突破。上述6条公布于世的高世代面板生产线的产能可达全球产能的10%以上,规格包含32~55in,产量将达4,500万台以上,这些生产线建成以后必将改变全球的液晶产业格局。

中国电视机生产企业众多,CRT电视产能一度超过全球产能的50%,随着平板电视产业的发展,对大尺寸的液晶面板需求更加强烈。从国家的角度来看,进军液晶电视上游面板行业对我国电子信息产业的全面升级以及工业化、信息化都有巨大的推动作用,同时对拉动内需也相当有利。

我国受到基础工业薄弱的限制,目前还不能生产增光膜,在关键部件配套方面还只能依赖国外进口,从而使我国的国际竞争力微弱,因此亟需加快解决自主配套的问题才能完善液晶产业链,形成国内液晶产业的完整体系。

1增光膜、扩散膜在液晶显示器中的主要功能

1.1增光膜扩散膜的作用

由于液晶面板本身不发光,必须借助背光模组(backllightmodiule)提供的光源及分布均匀的亮度才能使液晶显示器显示影像。因此增光膜、导光板、扩散膜等也称为背光模组关键件,其主要作用是为液晶面板提供均匀的面光源,使尽可能高的光能透过而不影响光的特性,因此在大尺寸液晶显示器中尤为重要。促进增光膜等关键件的国产化和产业化对促进我国平板电视产业的升级换代,增加我国液晶产业的国际竞争力发挥着重要的作用,同时也可以带动超精密机床、超精密模辊加工工艺技术、光学高分子材料、投影显示光学器件等方面的基础工业技术的提升。

背光模组关键件――导光板、扩散膜、增光膜(棱镜片)等,其技术实质是大型微细结构光学元件,也就是利用在透明膜片材上加工成型光学微细结构和光学扩散微粒的工艺技术,实现对光能的重新分布以达到一定的使用目的。国际上通称为增光膜、扩散膜、反射膜以及导光板。

背光模组实际上是由一层层光学膜片材料组成,通过它们实现对光的均匀分布,如图1所示。

从图2、图3中我们可以看到背光模组中扩散膜和增光膜的实质。

背光模组实际上是由一层层光学膜片所组成,通过CCFL或LED光源,经过模组中各种膜片材料对光的功能作用,实现对光能的重新分配,使我们的LCD显示器能够看到影像。

扩散膜是通过在光学膜片材料上的微细颗粒(beads)实现光的扩散,而增光膜(棱镜片)是通过在透明光学材料上加工成型微细条纹(光栅)结构进行反射和折射,对光能进行重新分布。

1.2主要技术难点

增光膜、扩散膜是背光模组中最关键的功能件,由于表面均匀布满棱形尖锥型的微细结构,从而提高了光线透过率,增大了亮度和视角。TFT-LCD进入电视机市场后,更加强调亮度系数的提高,使增光膜的需求更迫切,技术要求更高。国际流行的增光膜类似CRT背投电视机的光栅柱面镜,齿型结构、节距、主要设计参数的不一样导致辊筒加工方式、成型工艺技术的不一样,因此只要改造辊筒的设计加工,完全可以批量生产增光膜。目前,国内没有专门用于辊筒加工的超精密单点金刚石机床、辊筒表面处理技术,不能达到增光膜工艺技术的要求,因此现阶段还必须依赖引进国外先进的精密模辊加工技术。而模辊加工设备及技术唯有美国穆尔纳米技术公司拥有,该公司已向韩国、台湾企业出售了该项设备与技术。

1.3背光模组光学部件量产需要解决的关键技术问题

(1)增光膜光学结构设计;

(2)背光模组光路设计;

(3)辊筒精密加工技术与设备;

(4)模具表面处理技术;

(5)扩散膜的光学扩散粒子配方设计;

(6)扩散板技术参数及挤出工艺技术的开发研究。

2形成液晶产业上下游产业链、建成完整体系

从技术实质来讲,背光模组是超大型的微细光学结构透镜组,由导光板、扩散片、棱镜片组成,其通过光学膜片发挥以下主要功能作用:

(1)引导光线的方向,提高面板灰度和控制亮度均匀性;

(2)尽可能高的光能透过特性,为液晶面板提供均匀的面光源;

(3)在一定波长范围内(可视光的范围)尽可能满足可见白光的特性要求。

虽然对于液晶电视机来讲,液晶面板非常重要,但由于它本身并不发光,完全依靠背光模组提供光源才能实现显示图像的功能,因此是液晶面板中不可缺少的关键件,即使在科学技术已经高度发达的今天,国际上也只有少数几个国家的少数几个公司能够设计生产。背光模组关键件的制造工艺技术包含几个方面的技术,即光学结构设计、高分子材料、超精密模具、模辊表面处理技术、精密成型工艺及设备,是一种典型的综合性高科技产品。

我们提出背光模组关键件产业化的根本目的是基于自主知识产权,围绕微细光学结构技术体系创新,实现背光模组的国产化和产业化,促进我国液晶电视产业的发展。关键部件的国产化,特别是大尺寸背光模组关键件的产业化,可以提高国产液晶电视的国际竞争力;满足市场需求,获取良好的经济效益和社会效益;实现国内自主配套形成产业链;提高国内超精密加工的基础工业水平,解决国内不能制造高精密花辊的技术难点。

液晶电视是我国平板电视工业产业结构调整的重要产品之一,围绕液晶电视整机与其它部件形成LCD电视产业链,无疑具有巨大的经济和社会意义,从而建成我国强大完整的平板显示工业体系,如图4所示;

(4)相关技术带动相关产业的发展可以支持大型超精密模具和模具材料的开发,LCOS、DLP投影屏幕的制造工艺技术体系,立体显示屏幕的制造工艺技术体系。

如完成了增光膜的生产工艺技术体系,可以覆盖以下基础工业体系:

(1)光学高分子材料的开发;

(2)背光模组光路设计(含增光膜结构设计);

(3)大型超精密单点金刚石机床的技术设备引进(国内还不能生产)及国产化;

(4)模辊表面材料的开发(Ni-P)合金以及表面处理工艺技术;

(5)辊筒的加工工艺技术;

(6)增光膜的成型加工工艺技术。

这些技术综合性强,技术起点高,建成后还可以解决我国在LCOS、DLP以及3D电视发展的需要,如图5、图6所示。

3主要工艺技术方法

背光模组关键件市场表现出两大特点:垄断性和集中性。国际上少数几个厂家如美国3M、日本KIMTO、韩国三星、LG以及中国台湾的企业垄断了关键件市场90%的份额。至今为止增光膜、反射膜等关键件完全依赖进口,对我国新上6条以上的高世代液晶面板产业的配套非常不利,造成这种态势的原因是我国的液晶产业起步晚、水平低,在关键技术上不具备实力,可以说还没有真正的参与到竞争中去。因此我国液晶背光模组光学膜产业的发展以及形成自主配套能力,势在必行。

背光模组主要由光源、导电板、扩散膜、反射膜、增光膜(棱镜片)模组框等组成,源于光路设计的需要,CCFL仍然是现阶段采用的主要光源,CCFL荧光灯发光功率高,其寿命可达2万小时。是现阶段TFT-LCD较理想的光源,但随着LED光源的出现,使LCD背光模组更有利于向更大更薄的方向发展,相信不久的将来,以LED作光源的背光模组必将成为LCD彩色电视机的主流产品。

光学加工技术范文篇2

激光加工――工业制造的“多面手”

在工业制造领域，激光加工技术备受青睐。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对金属或非金属材料进行切割、焊接、打孔、表面处理以及微加工。计算机数控技术与激光加工系统的融合，更使得激光加工技术如虎添翼。

目前比较成熟的激光加工技术包括激光快速成型技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光热处理和表面处理技术等。激光加工技术在汽车、电子、电器、航空、冶金等工业领域应用广泛，极大地提高了产品质量和劳动生产率，并推动了这些工业领域的技术进步。

早期的激光加工大多局限于微型焊接或打孔。从20世纪70年代开始，随着大功率激光器的问世，激光加工技术获得了蓬勃发展。利用激光束进行工业加工，主要是利用了激光光能的热效应。从激光器输出的高强度激光经过透镜聚焦到工件上，其焦点处温度可达10000℃以上。在这样的温度下，任何材料都会在瞬间发生熔化或气化作用。这就是利用激光进行焊接、打孔和切割等加工的基本原理。

激光焊接适用于相同和不同金属材料间的焊接，尤其对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差大的金属焊接表现出很好的适应性。激光打孔具有精度高、整理性强、效率高、成本低等优点，已成为现代制造领域的关键技术之一。激光切割具有切口宽度窄、热影响区小、切口光洁度高、切割速度快等特点，并可切割成任意形状，因此具有很强的适应性。

激光快速成型技术是将激光加工技术与CAD/CAM（计算机辅助设计/制造技术的缩写）技术等相结合而形成的一项新技术，主要用于模具和模型行业。该技术可根据零件的CAD模型，用激光束将光敏聚合材料逐层进行固化，从而精确堆积成样件。因此，利用该技术不需要模具和刀具也能快速精确地制造出形状复杂的零件，这可使许多工业领域的新产品开发变得比较容易。

激光打标的应用领域也十分广泛。所谓激光打标是指利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使局部表层材料发生变化，从而留下永久性标记。激光打出的字符可大可小，这对产品的防伪具有特殊的意义。近年来发展起来的准分子激光打标，现在已广泛应用于微电子工业和生物工程。

激光表面处理是应用潜力很大的表面改性技术之一，特别适用于航空、航天、兵器、核工业、汽车制造业中需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零件。激光表面处理的内容很多，主要包括激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术、激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合金化技术等，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等都具有重要的作用。如激光退火可使多晶硅的电阻率降到普通加热退火的1/2～1/3，还可大幅度提高集成电路的集成度。

光刻技术――智能制造业的“巅峰”

1958年，美国科学家基尔比成功地把电子器件集成在一块半导体材料上，从而制造出集成电路――20世纪最伟大的科技发明之一。现在，人类已能够把数十亿个器件装在一块芯片上，制成超大规模集成电路，使得电子设备体积小、重量轻、功耗低、可靠性好。在微芯片集成度飞速发展的背后，光刻技术起到了至关重要的作用，集成电路的断代史更是以光刻技术所能获得的线宽作为主要标志。

每一个微芯片的诞生，都需要经过光的“精雕细琢”。要把复杂的电路设计复制到硅片上，离不开光刻机的投影成像。光刻机就像是一台精密复杂的特殊照相机，是芯片制造中“定义图形”中最为重要的一种机器。光刻是利用光源发出的光来完成图形的复制和转移的。光源的波长越短，光刻的“刀锋”就越锋利，所得到的图形分辨率就越高。同时，光刻机还要求光源系统应具有足够的能量，因为能量越大，其曝光时间就越短。光刻机还要求曝光能量必须均匀地分布在曝光区。

光刻机是诸多现代技术高度集成的产物，在过去的20多年里经历了许多次革命，每一次的变革都加速了微芯片的不断缩小，从而推动着半导体技术遵从摩尔定律而前进。随着微芯片集成度的提高，开发新型短波长光源光刻机一直是国际上的研究热点。

光学之眼――为工业产品做“体检”

对工业生产过程以及产品质量的检测是一个专业性很强的工作，需要借助各种有效的技术手段。就拿工业无损探伤来说吧，这可是光学技术大显身手的“舞台”。

工业管道内窥镜可完成对人眼无法直接观察到的场所以及高温、有毒、有害场所的检测，并把检测情况实时地传递和记录下来。管道内窥镜一般由控制器、升降台、摄像头、电缆、爬行器、照明等部分组成。

光学加工技术范文篇3

关键词：微电子；二元光学器件；制作工艺

随着二元光学技术的发展，二元光学器件已经广泛用于光学传感、光通信、光计算、数据存储等诸多领域。这类器件主要用于像差校正和消色差，通常的方法是在球面折射镜的一个面上刻蚀衍射图案，实现折射和衍射混合消像差和较宽波段上的消色差。此外，二元光学器件能产生任意波面以实现许多特殊功能，从而具有重要的应用价值。

1.二元光学器件及其发展概述

二元光学是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支，是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。基于计算机辅助设计和微米级加工技术制成的平面浮雕型二元光学器件具有重量轻、易复制、造价低等特点，并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能，从而使光学工程与技术在诸如空间技术、激光加工、计算技术与信息处理、光纤通信及生物医学等现代国防科技与工业的众多领域中显示出前所未有的重要作用及广阔的应用前景。

随着近代光学和光电子技术的迅速发展，光电子仪器及其元件都发生了深刻而巨大的变化。光学零件已经不仅仅是折射透镜、棱镜和反射镜。诸如微透镜阵列、全息透镜、衍射光学元件和梯度折射率透镜等新型光学元件也越来越多地应用在各种光电子仪器中，使光电子仪器及其零部件更加小型化、阵列化和集成化。微光学元件是制造小型光电子系统的关键元件，它具有体积小、质量轻、造价低等优点，并且能够实现普通光学元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波面转换等新功能。

2.二元光学器件的应用现状

随着二元光学技术的发展，二元光学元件已广泛用于光学传感、光通信、光计算、数据存储、激光医学、娱乐消费以及其他特殊的系统中。也许可以说，它的发展已经经历了三代。第一代，人们采用二元光学技术来改进传统的折射光学元件，以提高它们的常规性能，并实现普通光学元件无法实现的特殊功能。这类元件主要用于相差校正和消色差。通常是在球面折射透镜的一个面上刻蚀衍射图案，实现折/衍复合消像差和较宽波段上的消色差。此外，二元光学元件能产生任意波面以实现许多特殊功能，而具有重要的应用价值。如材料加工和表面热处理中的光束整形元件、光学并行处理系统中的光互连元件以及辐射聚焦器等。

目前，二元光学瞄准了多层或三维集成微光学，在成像和复杂的光互连中进行光束变换和控制。多层微光学能够将光的变换、探测和处理集成在一体，构成一种多功能的集成化光电处理器，这一进展将使一种能按不同光强进行适应性调整、探测出目标的运动并自动确定目标在背景中的位置的图像传感器成为可能。这是一种焦平面预处理技术，它以二元光学元件提供灵活反馈和非线性预处理能力。探测器硅基片上的微透镜阵列将入射信号光聚焦到阵列探测器的激活区，该基片的集成电路则利用会聚光激发砷化镓铟二极管发光，其发射光波第二层平面石英基底两面的衍射元件引导到第三层面硅基底的阵列探测器上，最终得到处理后的信号。这种多层焦平面预处理器的每一层之间则利用微光学阵列实现互连耦合，它为传感器的微型化、集成化和智能化开辟了新的途径。发展趋势二元光学是建立在衍射理论、计算机辅助设计和微细加工技术基础上的光学领域的前沿科学之一，超精细结构衍射元件的设计与加工是发展二元光学的关键技术。二元光学的发展不仅使光学系统的设计和加工工艺发生深刻的变革，而且其总体发展趋势是未来微光学、微电子学和微机械的集成技术和高性能的集成系统

3.二元光学器件的制作工艺

3.1二元光学器件的制作原理

二元光学元件的设计问题十分类似于光学变换系统中的相位恢复问题：已知成像系统中入射场和输出平面上光场分布，如何计算输入平面上相位调制元件的相位分布，使得它正确地调制入射波场，高精度地给出预期输出图样，实现所需功能。近几年来，随着制作工艺水平的发展和衍射元件应用领域的扩展，二元光学元件特征尺寸进一步缩小，其设计理论已逐渐从标量衍射理论向矢量衍射理论发展。通常情况下，当二元光学元件的衍射特征尺寸大于光波波长时，可以采用标量衍射理论进行设计。计算全息就是利用光的标量衍射理论和傅里叶光学进行分析的，关于二元光学元件衍射效率与相位阶数之间的数学表达式也是标量衍射理论的结果。在此范围内，可将二元光学元件的设计看作是一个逆衍射问题，即由给定的入射光场和所要求的出射光场求衍射屏的透过率函数。

二元光学元件的特征尺寸为波长量级或亚波长量级，刻蚀深度也较大（达到几个波长量级），标量衍射理论中的假设和近似便不再成立，此时，光波的偏振性质和不同偏振光之间的相互作用对光的衍射结果起着重大作用，必须发展严格的矢量衍射理论及其设计方法。矢量衍射理论基于电磁场理论，须在适当的边界条件上严格地求解麦克斯韦方程组，已经发展几种有关的设计理论，如积分法、微分法、模态法和耦合波法。前两种方法虽然可以得到精确的结果，但是很难理解和实现，并需要复杂的数值计算；比较起来，模态法和耦合波法的数学过程相对简单些，实现也较容易

3.2二元光学器件的制作工艺

二元光学元件的基本制作工艺是超大规模集成电路中的微电子加工技术。但是，微电子加工属薄膜图形加工，主要需控制的是二维的薄膜图形；而二元光学元件则是一种表面三维浮雕结构，需要同时控制平面图形的精细尺寸和纵向深度，其加工难度更大。近几年来，在VLSI加工技术、电子、离子刻蚀技术发展的推动下，二元光学制作工艺方面取得的进展集中表现在：从二值化相位元件向多阶相位元件、甚至连续分布相位元件发展；从掩模套刻技术向无掩模直写技术发展。最早的二元光学制作工艺是用图形发生器和VLSI技术制作二阶相位型衍射光学元件。

随着高分辨率掩模版制作技术的发展，掩模套刻、多次沉积薄膜的对中精度的提高，可以制作多阶相位二元光学元件，大大提高了衍射效率。但是离散化的相位以及掩模的对准误差，仍影响二元光学元件的制作精度和衍射效率的提高。由直写技术的应用，省去掩模制作工序，直接利用激光和电子束在基底材料上写入所需的二维或三维浮雕图案。利用这种直写技术，通过控制电子束在不同位置处的曝光量，或调制激光束强度，可以刻蚀多阶相位乃至连续分布的表面浮雕结构。无掩模直写技术较适于制作单件的二元或多阶相位元件，或简单的连续轮廓，而利用激光掩模和套刻制作更适合于复杂轮廓和成批生产。在掩模图案的刻蚀技术中，主要采用高分辨率的反应离子刻蚀、薄膜沉积技术。其中离子束刻蚀的分辨率高达0.1μm，且图案边缘陡直准确，是一种较为理想的加工手段。

结束语：

随着二元光学技术的发展，二元光学器件已经广泛用于光学传感、光通信、光计算、数据存储等诸多领域。这种技术的应用使得很多领域得到了快速的发展，为社会的进步做出了很大贡献。总之，我国的发展要依靠科技的进步，所以国家还要进一步的发展科技，最终实现我国社会主义现代化建设的伟大宏愿。

参考文献：

[1]雷刚.数字光刻制作微光学器件的评价研究[D].南昌：南昌航空大学，2011