一种高均匀度的激光导光板加工方法及装置
技术领域
本发明属于激光加工技术领域,具体涉及一种高均匀度的激光导光板加工方法及装置。
背景技术
导光板的加工方法有传统的油墨印刷和激光加工等方式,目前激光导光板加工方法则是最常用的,它是利用激光在导光板表面制成有着特定排布形状的孔状结构,实现满足照度要求的表面,具有加工能量集中、环保等优点,最后形成的网点半径一般为毫米量级,最小不低于0.08mm,如发明专利CN104977649A公布的实施例数据。
激光导光板加工方法的改进旨在对网点参数进行优化设计,以寻求表面照度的高均匀度。如发明专利CN104977649A公布一种网点参数设计方法,根据网点离导光板入光面距离远近而设置成不同的网点区域,不同网点区域的网点形状随着各网点区域离导光板的入光面距离远近而变化,实现导光板发光亮度均一,显示画面效果佳。但在实际加工过程中,需要对这些不同的网点区域进行分段处理,工艺复杂,最终检测出导光板的发光亮度均匀性欠佳。
发明内容
为克服现有技术中存在的不足,本发明提出一种高均匀度的激光导光板加工方法及装置,在待加工导光板表面,涂覆一层微纳米颗粒,当激光束辐射于该表面时,会在微纳米颗粒周围产生局域场增强效应,形成均匀分布的纳米孔阵列,尺寸小且无需进行复杂工艺,具有高效的将光源转化为面光束和散射光束均匀柔和等特点。因此基于局域场增强效应的激光导光板加工方法是一种很有前途的新型激光导光板加工方法。
本发明的技术方案是:一种高均匀度的激光导光板加工方法,包括以下步骤:
S1、制备加工板材
1)将大面板裁切成待加工小面板,并对待加工小面板表面及侧边做抛光处理;
2)超声处理微纳米颗粒溶液,制备成微纳米颗粒悬浮液后待用;
3)采用旋涂法沉积微纳米颗粒悬浮液于待加工小面板上,制备成表面涂覆有微纳米颗粒的小面板;
S2、仿真模拟确定激光导光板加工参数
1)导光板结构建模:使用软件,对导光板结构进行3D建模;
2)导光板网点建模:布网点,预设网点直径为D'且网点均匀排布于导光板表面;
3)进行光学模拟和记录网点参数:软件模拟计算导光板照度值,对不符合照度规格的网点参数进行优化处理,同时记录符合照度规格的网点参数—纳米孔直径D;
4)求解归一化激光能量分布:使用有限元仿真软件对表面涂覆有单层微纳米颗粒的待加工小面板进行仿真,计算小面板表面归一化激光能量分布,绘制出能量增强特征曲线;
5)确定能量增强系数A:根据能量增强特征曲线和网点参数,即纳米孔径D,确定能量增强系数A;
6)设置激光加工参数,根据公式J0是导光板表面激光能量损伤阈值,和步骤5)确定的能量增强系数A,即可确定加工导光板的激光能量密度J,根据公式v=(1-η)·Φ·f,通过选取重复频率f和搭接率η,确定扫描速度v;
S3、激光导光板加工
将制备好的加工板材置于激光器的激光加工处,打开激光器的激光加工控制***,输入已确定的激光加工参数,操作控制***,实施激光加工作业,当激光束辐射于待加工小面板表面时,会在微纳米颗粒周围产生局域场增强效应,导致微纳米颗粒与待加工小面板的接触处产生纳米孔,最终获得具有均匀排布的单层纳米孔阵列;
S4、激光导光板加工后处理
1)清洁激光导光板:通过清洗装置使用导光板专用清洁剂擦拭激光导光板表面;
2)干燥激光导光板:通过干燥装置对导光板表面通风干燥;
3)检测激光导光板:通光检测导光板照度E,与导光板照度规格E0比较;
4)薄膜包装激光导光板:将符合产品要求的导光板用薄膜包装,以备产品的后续使用。
上述方案中,所述步骤S1中的旋涂法具体实施步骤为:
①待加工小面板置于基座上并固定,通过存储微纳米颗粒悬浮液装置下部的滴管在待加工小面板表面滴上微纳米颗粒悬浮液;
②启动装置,设置转动电机的转速,实现基座从低速到高速的旋转;
③设置转速N1=100~500r/min,持续时间T1=10~40s;经T1后,设置转速N2=500~2000r/min,持续时间T2=20~80s;经T2后,设置转速N3=2000~8000r/min,持续时间T3=5~20s;
④经T3后,关闭装置,待溶剂挥发,获得单层排布整齐的微纳米颗粒。
上述方案中,所述步骤S2中确定能量增强系数A的具体步骤为:
设入射激光能量密度为1,取微纳米颗粒与导光板表面的接触点为坐标原点O,横坐标轴表示导光板表面各点到原点之间的距离,纵轴表示为能量增强系数,绘制出的能量增强特征曲线反映当激光束辐射于表面涂覆有单层微纳米颗粒的面板表面时,微纳米颗粒周围的能量分布情况,取纳米孔径的一半D/2,标注于能量特征曲线的横坐标轴上为P点,做通过点P且垂直于横坐标轴的直线交能量增强特征曲线于点Q,设Q点的纵坐标值是A,那么A值即为用软件仿真模拟出的符合照度规格的网点参数—纳米孔直径D所需的能量增强系数。
优选地,所述待加工小面板的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚碳酸酯PC。
优选地,所述步骤S1中裁切大面板采用机械式切割或热切割的方式。
优选地,所述步骤S1中对待加工小面板的抛光处理采用火焰抛光、布轮抛光或钻石抛光法中的任意一种。
优选地,所述微纳米颗粒为SiO2颗粒、PS颗粒、金颗粒或银颗粒中的任意一种。
优选地,所述SiO2颗粒的直径d满足λ<d<3λ。
一种实现所述高均匀度的激光导光板加工方法的加工装置,包括旋涂装置、激光器、清洗装置、干燥装置和激光导光板加工平台;所述旋涂装置包括存储微纳米颗粒悬浮液装置和旋转机构;所述激光导光板加工平台的上方从右至左依次设有存储微纳米颗粒悬浮液装置、激光器、清洗装置和干燥装置;待加工小面板经过抛光处理、且置于激光导光板加工平台最右端,加工方向从右至左依次进行,依次经过存储微纳米颗粒悬浮液装置、激光器、清洗装置和干燥装置,实现导光板的加工操作;所述存储微纳米颗粒悬浮液装置内含微纳米颗粒悬浮液,存储微纳米颗粒悬浮液装置下部设有滴管;所述旋转机构安装在激光导光板加工平台上,所述旋转机构包括转动电机和基座;所述转动电机的输出轴与基座的底部固定连接,所述基座位于所述存储微纳米颗粒悬浮液装置的正下方。采用旋涂法将微纳米颗粒悬浮液均匀涂覆于待加工小面板表面,制备成表面涂覆有单层微纳米颗粒的小面板;所述微纳米颗粒悬浮液是由微纳米颗粒溶液经超声处理得到;所述激光器为激光导光板加工所用光源;所述清洗装置,内含导光板专用清洁剂,对导光板表面清洁,清除灰尘、微纳米颗粒等残余物;所述干燥装置,指通风干燥导光板,以备封装保存。
上述方案中,所述激光器的λ=1064nm,光束直径Φ=50μm,脉宽为10ns,重复频率f=20KHz,激光搭接率η=0.2,激光扫描速度v=0.8m/s。
与现有技术相比,本发明基于局域场增强效应的激光导光板加工方法,加工网点的尺寸为纳米量级,具有以下突出的优点:
1.高效转化,基于局域场效应制作的导光板能够高效的将入射光源转化为面光源,这是源于均匀分布的纳米孔阵列可以将更多的光源散射到目标区域,避免了不必要的光能损失,而普通的激光导光板加工方法形成的孔状尺寸较大,光能损失较为严重;
2.均匀柔和的光束质量,基于局域场效应制作的导光板散射形成的面光源,光束分布均匀且光线柔和,实现更加完善的视觉效果,普通激光导光板加工方法是无法做到这一点的;
3.不考虑空间距,与发明专利CN104977649A相比较,基于局域场效应制作的导光板,模拟网点分布时,不必考虑各网点间距,均匀分布于导光板表面即可,因为激光束辐射于导光板表面形成的纳米孔,孔径小且密布于整个导光板表面,网点间距不是主要因素,而对于采用普通激光导光板加工方法,网点间距因素是需要考虑在内的,甚至可能会成为影响导光板照度值的首要因素。
附图说明
图1为本发明所述激光导光板加工方法的工艺流程图;
图2为本发明所述一种高均匀度的激光导光板加工装置示意图;
图3为本发明所述旋涂装置结构示意图;
图4为本发明涂覆微纳米颗粒过程示意图;
图5为激光垂直入射微纳米颗粒的光场分布局域图及界面能量增强特征曲线图(颗粒为SiO2,直径d=2μm,加工波长λ=1064nm);
图6为导光板表面SEM图。
图中:1-待加工小面板;2-存储微纳米颗粒悬浮液装置;21-滴管;22-微纳米颗粒悬浮液;3-激光器;4-清洗装置;5-干燥装置;6-激光导光板加工平台;7-转动电机;8-基座。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。
以下将结合实施例对本发明技术方案做进一步详述。
图1所示为所述激光导光板加工方法的工艺流程图,所述高均匀度的激光导光板加工装置的加工方法,是将表面涂覆有单层微纳米颗粒的待加工小面板1置于激光器3下,当激光束辐射于待加工小面板1表面时,会在微纳米颗粒周围产生局域场增强效应,导致微纳米颗粒与待加工小面板1的接触处产生纳米孔,而后经清洗装置4和干燥装置5分别对待加工小面板1表面实施清洁和干燥处理,最后待加工小面板1表面可形成均匀分布的纳米孔阵列,实现高效转化和光束柔和等效果。所述加工方法具体包括如下步骤:
S1、制备加工板材
1)将大面板裁切成待加工小面板1,优选地,裁切大面板采用机械式切割或热切割的方式,裁切速度不宜过快,且保证平台上无废屑,以避免导光板与废屑摩擦而刮伤;并对待加工小面板1表面及侧边做抛光处理,易于微纳米颗粒的沉积,优选地,对待加工小面板1的抛光处理采用火焰抛光、布轮抛光或钻石抛光法中的任意一种;
2)将微纳米颗粒溶液置于超声波清洗机中超声处理10-15min,使微纳米颗粒充分散开,制备成微纳米颗粒悬浮液22后待用;
3)采用旋涂法将微纳米颗粒悬浮液22均匀的涂覆于待加工小面板1上,制备成表面涂覆有单层微纳米颗粒的小面板,具体实施步骤为:
①待加工小面板1置于基座8上并固定,通过存储微纳米颗粒悬浮液装置2下部的滴管21在待加工小面板1表面滴上微纳米颗粒悬浮液22;
②启动装置,设置转动电机7的转速,实现基座8从低速到高速的旋转;
③设置转速N1=100~500r/min,持续时间T1=10~40s;经T1后,设置转速N2=500~2000r/min,持续时间T2=20~80s;经T2后,设置转速N3=2000~8000r/min,持续时间T3=5~20s;
④经T3后,关闭装置,待溶剂挥发,获得单层排布整齐的微纳米颗粒。
S2、仿真模拟确定激光导光板加工参数
1)导光板结构建模:使用GTOOLS软件,对导光板结构进行3D建模;
2)导光板网点建模:布网点,预设网点直径为D'且网点均匀排布于导光板表面;
3)进行光学模拟和记录网点参数:软件模拟计算导光板照度值,对不符合照度规格的网点参数进行优化处理,同时记录符合照度规格的网点参数—纳米孔直径D;
4)求解归一化激光能量分布:使用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对表面涂覆有单层微纳米颗粒的待加工小面板1进行仿真,计算小面板表面归一化激光能量分布,绘制出能量增强特征曲线;
5)确定能量增强系数A:根据能量增强特征曲线和网点参数,即纳米孔径D,确定能量增强系数A,具体步骤为:
设入射激光能量密度为1,取微纳米颗粒与导光板表面的接触点为坐标原点O,横坐标轴表示导光板表面各点到原点之间的距离,纵轴表示为能量增强系数,绘制出的能量增强特征曲线反映当激光束辐射于表面涂覆有单层微纳米颗粒的面板表面时,微纳米颗粒周围的能量分布情况,取纳米孔径的一半D/2,标注于能量特征曲线的横坐标轴上为P点,做通过点P且垂直于横坐标轴的直线交能量增强特征曲线于点Q,设Q点的纵坐标值是A,那么A值即为用GTOOLS软件仿真模拟出的符合照度规格的网点参数—纳米孔直径D所需的能量增强系数;
6)设置激光加工参数,根据公式J0是导光板表面激光能量损伤阈值,和步骤5)确定的能量增强系数A,即可确定加工导光板的激光能量密度J,根据公式v=(1-η)·Φ·f,通过选取重复频率f和搭接率η,确定扫描速度v。
S3、激光导光板加工
将制备好的加工板材置于激光器3的激光加工处,打开激光器3的激光加工控制***,输入已确定的激光加工参数,操作控制***,实施激光加工作业,当激光束辐射于待加工小面板1表面时,会在微纳米颗粒周围产生局域场增强效应,导致微纳米颗粒与待加工小面板1的接触处产生纳米孔,最终获得具有均匀排布的单层纳米孔阵列。
S4、激光导光板加工后处理
1)清洁激光导光板:导光板加工过程中,表面会覆有灰尘、微纳米颗粒等残余物质,通过清洗装置4使用导光板专用清洁剂擦拭激光导光板表面;
2)干燥激光导光板:通过干燥装置5对导光板表面通风干燥;
3)检测激光导光板:通光检测导光板照度E,与导光板照度规格E0比较;
4)薄膜包装激光导光板:将符合产品要求的导光板用薄膜包装,实施灰尘防护,以备产品的后续使用。
图2所示为实现所述高均匀度的激光导光板加工方法的装置,包括旋涂装置、激光器3、清洗装置4、干燥装置5和激光导光板加工平台6;所述旋涂装置包括存储微纳米颗粒悬浮液装置2和旋转机构。
所述激光导光板加工平台6的上方从右至左依次设有所述存储微纳米颗粒悬浮液装置2、激光器3、清洗装置4和干燥装置5。待加工小面板1置于激光导光板加工平台6的最右端,加工方向从右至左依次进行,待加工小面板1依次经过位于激光导光板加工平台6上方的存储微纳米颗粒悬浮液装置2、激光器3、清洗装置4和干燥装置5的环节,实现激光导光板的加工操作。所述待加工小面板1侧边已经过抛光处理,表面光滑明亮,易于微纳米颗粒沉积于面板表面。所述存储微纳米颗粒悬浮液装置2内含微纳米颗粒悬浮液22,存储微纳米颗粒悬浮液装置2下部设有滴管21。本发明采用旋涂法实施步骤,制备成表面涂覆有单层微纳米颗粒的待加工小面板1。优选地,所述待加工小面板1的材料为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚碳酸酯PC。所述微纳米颗粒悬浮液22是由微纳米颗粒溶液经超声处理得到,优选地,微纳米颗粒为SiO2颗粒、PS颗粒、金颗粒或银颗粒中的任意一种。优选地,所述SiO2颗粒的直径d满足λ<d<3λ,场增强效果较好。所述激光器3为激光导光板加工所用光源。所述清洗装置4采用导光板专用清洁剂对面板表面进行清洁,清除灰尘、微纳米颗粒等残余物。所述干燥装置5对导光板表面通风干燥,以备封装保存,方便产品的后续使用。
图3所示为本发明所述旋涂装置结构示意图,优选地,所述旋转机构包括转动电机7和基座8;所述转动电机7的输出轴与基座8的底部固定连接,所述基座8位于所述存储微纳米颗粒悬浮液装置2的正下方。所述待加工小面板1侧边已经过抛光处理。所述基座8是为载物台,待加工小面板1可置于基座8上。所述转动电机7带动基座8以设置的转速旋转。所述存储微纳米颗粒悬浮液装置2置于基座8的上方,用于沉积微纳米颗粒悬浮液22于待加工小面板1上,所述存储微纳米颗粒悬浮液装置2的下部设有滴管21,滴管21用于将微纳米颗粒悬浮液22滴在待加工小面板1上。
图4所示为涂覆微纳米颗粒过程示意图,共分为六个阶段:沉积、旋转初期、旋转中期、旋转末期、挥发和成形。所述沉积阶段,是将存储微纳米颗粒悬浮液装置2里的微纳米颗粒悬浮液22滴入到待加工小面板1上。所述旋转初期阶段,指当前转速N1,微纳米颗粒悬浮液22因离心作用朝径向流动。所述旋转中期阶段,指当前转速N2,多余的悬浮液被甩开。所述旋转末期阶段,指当前转速N3,悬浮液均匀涂覆于待加工小面板1上。所述挥发阶段,指停止旋转,待溶剂挥发。所述成形阶段,指获得单层排布整齐的微纳米颗粒,图中所示为待加工小面板1上单层排布整齐的微纳米颗粒SEM图。
图5为激光垂直入射微纳米颗粒的光场分布局域图及界面能量增强特征曲线图。图中实线箭头所指的位置是微纳米颗粒和待加工小面板1的分界面。虚线箭头分别所指的是局域部分的微纳米颗粒的起始位置E和结束位置F。界面能量增强特征曲线图横坐标轴表示导光板表面各点到原点之间的距离,纵轴表示能量增强系数,图中的虚线分别对应E和F的位置,实线表示入射激光能量的初始值设定为1。
实施例
根据图1所示的工艺步骤,有如下实施例:
实施加工的激光器,λ=1064nm,光束直径Φ=50μm,脉宽为10ns。
选取聚甲基丙烯酸甲酯PMMA作为激光导光板加工材料,采用机械式切割方式裁切PMMA,并对面板表面及侧边进行火焰抛光,制备成待加工小面板后待用。
选取微纳米颗粒为SiO2,直径d=2μm,超声处理微纳米颗粒溶液10min,获得SiO2微纳米颗粒悬浮液后待用。
将待加工小面板置于本发明所述旋涂装置的基座8上,在待加工小面板表面滴上SiO2微纳米颗粒悬浮液,启动装置,设置转速N1=200r/min,持续时间T1=25s;经T1后,设置转速N2=1000r/min,持续时间T2=35s;经T2后,设置转速N3=4000r/min,持续时间T3=10s;经T3后,关闭装置,待溶剂挥发,获得单层排布整齐的微纳米颗粒。将制备好的加工板材置于通风无尘处待用,以避免面板表面受到污染。
使用GTOOLS软件,对导光板结构进行3D建模。
布网点,预设网点直径为D'=200nm且网点均匀排布于导光板表面。
根据软件模拟计算出的照度值,得出网点直径D=D'=200nm不仅符合导光板照度要求而且网点直径为纳米量级,为加工一种高均匀度的导光板奠定理论基础。
使用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对表面涂覆有单层微纳米颗粒的小面板建模并仿真,计算面板表面归一化激光能量分布。设入射激光能量密度为1,取SiO2微纳米颗粒与导光板表面的接触点为坐标原点O,横坐标轴表示导光板表面各点到原点之间的距离,纵轴表示为能量增强系数,绘制出能量增强特征曲线,如图4所示为激光垂直入射微纳米颗粒的光场分布局域图及界面能量增强特征曲线图。
取网点直径D/2=100nm,标注于能量增强特征曲线的横坐标轴上,为P点,即P(100,0)。做通过点P且垂直于横坐标轴的直线交能量增强特征曲线于点Q,设Q点的纵坐标值是A,由图可知,A=24.4,即Q(100,24.4),也即是,对应于网点直径D=200nm所需的能量增强系数A=24.4。
通过查阅相关资料,此导光板表面材料的激光能量损伤阈值J0=41J/cm2(测试波长λ=1064nm,测试脉冲宽度τ=8ns)。根据公式计算出加工导光板的激光能量密度J=1.68J/cm2。已知激光束的光斑直径Φ=50μm,设置重复频率f=20KHz,激光搭接率η=0.2,根据公式v=(1-η)·Φ·f,计算出激光扫描速度v=0.8m/s。
将制备好的加工板材置于激光加工处,打开激光加工控制***,输入已确定参数:所述激光器3的λ=1064nm,光束直径Φ=50μm,脉宽为10ns,重复频率f=20KHz,激光搭接率η=0.2,激光扫描速度v=0.8m/s。其中,选用的激光器3的波长参数值λ=1064nm,为激光加工业普遍使用的数值,利于激光导光板加工方法在工业领域的推广;选用的激光器3的光束直径参数值Φ=50μm,直径小,利于加工纳米孔;选用的激光器3的脉宽参数值10ns,脉宽较窄,降低热效应对导光板基材的影响。操作控制***,实施加工作业,获得均匀排布的单层纳米孔阵列。图6所示为加工出的导光板表面SEM图,加工的纳米孔直径为190nm,实现了一种高均匀度的激光导光板加工方法,具有散射光束均匀柔和等优点。
导光板加工完成后,通过清洗装置4使用导光板专用清洁剂清洁导光板表面,清除灰尘、微纳米颗粒等残余物。
通过干燥装置5对导光板表面通风干燥后,将导光板覆膜包装,以备产品的后续使用。
所述实施例为本发明的优选的实施方式,但本发明并不限于上述实施方式,在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。