CN103231223A

CN103231223A - 制作光学元件图形基板的方法实现此方法碰撞过程的装置及应用此方法制作的导光体组件

Info

Publication number: CN103231223A
Application number: CN2012102171759A
Authority: CN
Inventors: 田耕; 何志能
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2013-08-07

Abstract

本发明所揭露的方法包括在一片镜面基板上，通过用镭射、机械碰撞等方式在平面、曲面上加工出一种或多种，一个或多个微小立体光学元件，这些数量众多的微小结构大部分是低于金属镜面以下的。随后通过化学电镀沉积将基板上的微光学元件结构镜像复制到另一片金属基板上，新得到的金属基板上的微小立体光学元件则大部分高于镜面平面之上。新金属基板本身或其复制品或其镜像复制品就能用来形成导光膜部件上的光学结构的相应图形。

Description

制作光学元件图形基板的方法实现此方法碰撞过程的装置及应用此方法制作的导光体组件

技术领域

本发明涉及到在平面上加工光学元件图形技术领域，尤其是便于制作用于在导光体上实现光学元件图形的金属基板的方法及导光体组件。

背景技术

导光体的表面如果为光滑的镜面，其内部的光线射到光滑镜面的时候容易产生全反射，全反射导致此镜面的出光效率低，如果导光体表面有微小的光学元件结构，则可以破坏内部光线接触导光体表面时候的全反射，增加导光体内部光线逃逸的出光效率。

要实现导光体表层部位的微结构，目前普遍的做法是通过在金属表面涂布一层感光保护胶体，并且通过将设计好的图形制作成黑白菲林，覆盖在此金属表面的胶体上。通过紫外曝光显影和化学清洗，菲林透明部分的胶体还是附着并保护住金属表面，菲林黑色部分遮盖的胶体则被去除，露出了金属表面，通过化学腐蚀的方法，将暴露的金属表面去除一部分后，再化学清洗掉之前剩余的保护胶，最后形成带有设计图形的金属模仁，可以用来制作注塑模具，来生产带有设计图形的导光体。但是此方法只能实现较为精确的二维图形，而突出或凹陷于导光体表面的光学元件无法实现高质量的三维微小光学元件结构。如果要提高导光体的出光效率，则导光体表层部位需要有较为精确的立体光学结构。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术导光体上只能实现二维图形，无法实现微小光学元件图形结构的三维图形，无法有效提高导光体的出光效率的技术问题，提供一种用于制作出带有高出光效率的光学元件图形结构的金属基板的方法。

本发明的另一目的在于提供一种实现制作出带有高出光效率的光学元件图形结构的金属基板的方法碰撞过程中的碰撞振荡装置。

本发明的再一目的在于提供一种根据制作出带有高出光效率的光学元件图形结构的金属基板的方法制作出的导光体组件结构。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种制作带有光学元件图形结构的金属基板的方法，包括以下步骤：

步骤一：将基板置于平台上，在信息处理系统中预设碰撞图案；

步骤二：根据信息处理系统中形成预设碰撞图案的坐标位置和大小，控制碰撞振荡装置和基板的相对运动，并使碰撞振荡装置撞击基板,在基板上得到符合预设碰撞图案的碰撞单元结构；或将波长大于335纳米的激光器与信息处理系统连接，根据信息处理系统中形成预设碰撞图案的坐标位置和大小，控制激光器和基板的相对运动，并使激光器以高于15KHZ的脉冲频率轰击基板表面，一个或者多个脉冲生成一个或多个微小结构，在基板上得到符合预设碰撞图案的碰撞单元结构；

步骤三：通过金属沉积工艺将基板的表面沉积金属，达到预定厚度后，进行金属层与基板的分离，得到基板的金属复制品或者金属镜像复制品，该基板的金属复制品或者金属镜像复制品表面形成有与碰撞单元结构相对应的光学元件阵列。

所述基板为表面粗糙度低于Ra2.0以下的镜面金属板或者镜面有机物胶板。

通过调节激光器的聚焦部位光斑的能量分布，可以在镜面基板上实现特定的形状的碰撞单元结构，最终形成与该碰撞单元结构相对应的光学元件阵列结构，光学元件阵列结构的大小深度则可以由激光器的能量来逐一的控制。

同一块镜面基板上可以有一种形状的光学元件，也可以有多种结构的光学元件，按照设计好的阵列进行排布。

新金属基板或其复制品的厚度小于等于1mm。

激光波长范围在355-1100nm。

一种实现制作带有光学元件图形结构的金属基板的方法的碰撞过程的碰撞装置，包括有振荡设备，振荡设备朝向基板的一侧设有硬质碰撞头，基板固定于碰撞台上，所述振荡设备和碰撞台分别与信息处理系统连接，在信息处理系统中预设碰撞图案，所述振荡设备和碰撞台根据该预设碰撞图案的坐标位置和大小做相对运动使硬质碰撞头撞击基板，在基板上形成与硬质碰撞头尖端相对应的碰撞单元结构。

所述碰撞台为可在XY轴方向移动或XYZ轴方向移动。

被加工基板被固定在XY高精度移动平台上，且平台可以根据需要增加Z轴向的高度控制，移动控制精度在0.1mm以内，激光镜头或者高频率碰撞头被固定在基板平面的上方，也可根据需要对镜头或碰撞头增加XYZ方向的控制。信息处理系统读取预设碰撞图案内每个加工点的坐标和大小，将坐标传递给碰撞台，移动到位后激光镜头或者硬质碰撞头则根据预设碰撞图案内点的大小来选择轰击能量或碰撞力量，对预设碰撞图案内每个点都进行以上操作后即可完成基板的加工。

通过改变硬质碰撞头尖端部位的形状，可以在镜面基板上碰撞出特定的碰撞单元结构，碰撞单元结构的大小深度则可以通过每个点的碰撞力度的不同来实现至少一种大小和深度。

一种应用制作带有光学元件图形结构的金属基板的方法得到的导光体组件，包括导光体，在与导光体表面区域相异的端面上设有光源，所述光源的主发光面与导光体入光面之间设有预定间隙，该预定间隙可小于1mm；所述表面区域上设有光学元件阵列，所述光学元件阵列的形成是：振荡设备撞击基板后在基板上形成碰撞单元结构，通过金属沉积工艺得到碰撞单元结构的复制结构或者镜像复制结构。

所述导光体底面上设有反射部件，所述导光体的表面区域设有起保护和改变光学效果的保护膜。

所述导光体上设有组件定位部，所述组件定位部为凸出部或通孔或凹槽。

所述光学元件阵列为圆锥、弧面柱、四棱锥、三角棱、三棱锥、斜三角棱、圆冠中的一种或多种结构，上述结构为立体且凹向表面区域内部，并形成对光线产生反射折射作用的光学弧面、斜面、斜锥面。

所述导光体为如下结构的一种或多种：弯曲面，或，在导光体上开有第一空缺，或，在导光体上开有第二空缺，所述光源设置在第二空缺的内壁上。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明通过在平面材料上加工出微小的立体光学元件，特别是可以通过控制激光聚焦的能量强度分布或是硬质工具加工出高出光效果的光学元件结构，用于实现在平面或曲面导光体上微结构的薄型金属模仁。

附图说明

图1为导光体组件的示意图（一）；

图2为导光体组件的示意图（一）；

图2a为导光体组件的示意图（三）；

图3a为导光体应用组件的一种立体结构示意图；

图3b为导光体需要将内部光线引出部位的光学元件阵列结构分布放大图，光线从导光体侧面进入，光学元件阵列可以分布在导光体上表面或下表面或者上下两表面，且光学元件可以有多重形状结构；

图3c为图3a的俯视结构示意图；

图3d、图3e、图3f、图3g、3h、3i、3j、3k示意了此发明的方法部分其他光学元件阵列放大示意图；

图4为根据本发明方法的另一种导光体组件的示意图；

图5为根据本发明方法的另一种导光体组件的示意图；

图6为根据本发明方法的另一种导光体组件的示意图；

图7为根据本发明方法的另一种导光体组件的示意图；

图8为根据本发明方法的另一种导光体组件的示意图；

图9为根据本发明方法的另一种导光体组件的示意图；

图10为一种导光体组件的示意，其导光体的不同区域可以有不同的图形的光线引出区域，且组成图形的微小光学元件阵列的结构可以根据设计需要而不同；

图11、12、13为导光体表面光线引出区域的俯视放大示意图，揭示了部分结构的光学元件阵列形式；

图14、15、16为图11、12、13所示的光学元件的垂直截面图，其揭示了部分结构的光学元件阵列作用；

图17a、图17b、图17c为硬质碰撞头尖端部分截面形状；

图18a为在基板加工碰撞单元结构的示意图；

图18b为碰撞振荡装置结构示意图；

图19为加工完毕的部分基板截面示意;

图20所示的为分离后金属层33的部分截面结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

一种制作带有光学元件图形结构的金属基板的方法，包括以下步骤：

步骤一：将一块镜面平面材料基板置于一个固定或可控制的平台上，在信息处理系统中预设碰撞图案；

步骤二：根据信息处理系统中形成预设碰撞图案的坐标位置和大小，控制碰撞振荡装置和基板的相对运动，并使碰撞振荡装置的硬质工具的尖端结构碰撞振荡装置撞击基板,平台或者带有硬质工具的设备按照设计好的图形位置进行移动和碰撞，就在基板上加工出符合图形设计的微小结构的排列；

或将波长大于335纳米的激光器与信息处理系统连接，根据信息处理系统中形成预设碰撞图案的坐标位置和大小，控制激光器和基板的相对运动，并使激光器以高于15KHZ的脉冲频率轰击基板表面，一个或者多个脉冲生成一个或多个微小结构，在基板上得到符合预设碰撞图案的碰撞单元结构；

通过控制激光脉冲能量或者工具的碰撞力度，可以在一个基板上实现至少一种大小和深度的微小结构

步骤三：通过金属沉积工艺将基板的表面沉积金属，达到预定厚度后，进行金属层与基板的分离，得到基板的金属复制品或者金属镜像复制品（此时改金属板上具有与基板微结构镜像反向或者相同的结构），该基板的金属复制品或者金属镜像复制品表面形成有与碰撞单元结构相对应的光学元件阵列。金属板作为模仁，金属板厚度小于1mm，其上的碰撞单元结构排列图形就能够转写到导光体的表层部位。

基板31为表面粗糙度低于Ra2.0以下的镜面金属板或者镜面有机物胶板。

结合参阅图18，18a，17a，17b，17c所示，一种实现上述方法中碰撞过程的碰撞装置，包括有振荡设备28，振荡设备28朝向基板31的一侧设有硬质碰撞头29，基板31固定于碰撞台311上，振荡设备28和碰撞台311分别与信息处理系统100连接，在信息处理系统100中预设碰撞图案，振荡设备28和碰撞台311根据该预设碰撞图案的坐标位置和大小做相对运动使硬质碰撞头29撞击基板31，在基板31上形成与硬质碰撞头29尖端相对应的碰撞单元结构30。

碰撞台311为可在XY轴方向移动或XYZ轴方向移动。

结合参阅图2a，图3a所示，一种应用制作带有光学元件图形结构的金属基板的方法得到的导光体组件，包括导光体1（也可为导光膜），在与导光体1表面区域7相异的端面上设有一个或多个光源2，光源2的主发光面36与导光体入光面3的间隙h小于1mm；主发光面为LED光源的主发光面，LED通常只有一个发光面，在相对焊脚位置的侧面或顶面，入光面指的是导光体1上光线要射入的面，间隙越小，光线进入导光体的能量就越多；光射入导光体后将沿着射入方向约120°的范围在导光体内向前扩展，导光体的外形为不限于矩形的任意符合设计需要的外形。

表面区域7上设有使用本发明方法的模仁形成的光学元件阵列8，光学元件阵列8的形成是：振荡设备撞击基板后在基板上形成碰撞单元结构，通过金属沉积工艺得到碰撞单元结构的复制结构或者镜像复制结构。

结合参阅图2所示，导光体1底面上设有反射部件5，导光体1的表面区域7设有起保护和改变光学效果的保护膜6。当然图2作为启发，还能在此组件上扩展出更多目的的组件结构。

结合参阅图1所示，导光体1上设有可以制作出用于组件定位的组件定位部4，组件定位部4为凸出部或通孔或凹槽以及其他符合设计需要的形态。

光学元件的存在使得光源2射入导光体内部的光线被反射、折射出导光体，并且主光线能量从光学整列所在面的对面射出。图3d示意的是光学阵列区域放大后可能出现的光学元件结构，在一个区域范围内，光学元件的结构可能有至少一种以上的形态，结合参阅图3d、3e、3f、3g、3h、3i，图10到图16所示，光学元件阵列8为圆锥9、弧面柱10、四棱锥11、三角棱12、三棱锥13、斜三角棱14、圆冠15中的一种或多种结构，上述结构为立体且凹向表面区域7内部，并形成对光线产生反射折射作用的光学弧面23、斜面25、斜锥面26。这些或类似结构的光学元件主体通过本发明形成的模仁金属片的碰撞单元结构转写在导光体表层部位，用以改变导光体内部光线的全反射路径，使得光线引出导光体。

结合参阅图4到图9所示，导光体1为如下结构的一种或多种：弯曲面（导光体沿着光线射入方向做轴向弯曲，当然，此弯曲可以是正也可是负，或是正负都存在的波浪弯曲），或，在导光体1上开有第一空缺21，使得导光体空缺边缘实现光线的射出，或，在导光体1上开有第二空缺23，使得光源2的光线可以从导光体1内第二空缺23边缘射入导光体，光源2设置在第二空缺23的内壁上。其中图5示意了本发明的另一种形式的薄型发光导光体组件，包括薄型发光导光体1以及光源2，导光体1设计成沿着光线射入方向弯曲，当然，此弯曲可以是正也可是负，或是正负都存在的波浪弯曲。其中图6、图7示意了本发明的另两种形式的薄型发光导光体组件，包括薄型发光导光体1以及光源2，导光体1为立体的规则或不规则弧面，导光体的入光面3可以是平直的也可以是弯曲的。如图4到图9的描述，导光体的组件形式不局限于以上的单个示意描述，可以包含多个形式的组合，且导光体内外边缘形状可以按照美学或实用等要求任意设计。

图10所示为带有不同发光图案的一种薄型导光体组件，导光体内的光线能够达到图案内的光学元件阵列，光线即可被引出导光体内部，使得图案发光并被清晰的识别。

图11、12、13表示的是图10所示的发光区域并不局限但是可能出现的光学元件结构，分别是圆冠15、不规则三角弧24以及圆锥9，由于各自的形态都是立体且凹向表面区域7内部，所以各自生成了能对光线产生反射折射作用的光学弧面23、斜面25、斜锥面26。通过调整弧面的高度，斜面相对表面7的夹角，来实现高效率的光线引出效果。

图14为图11的光学元件的垂直截面示意图，图15为图12的光学元件的垂直截面示意图，图16为图13的光学元件的垂直截面示意图，都代表性地示意了各自的反射折射光学面将光线27引出导光体的示例。

图18a表示了在平整基板31加工光学元件的过程，将硬质工具29固定与高频振荡设备28，振荡设备28的往复频率在8次/秒以上，通过控制振荡设备的移动以及基板31的移动，达到计算机内原先设计好的图案内的某个点坐标，振荡设备28带动硬质碰撞头29瞬间撞击基板31，形成与硬质碰撞头29尖端相对应的碰撞单元结构30，通过控制撞击行程或力度，实现不同深度的碰撞单元结构30。

图17a、17b、17c举例示意了硬质工具尖端的部分截面形状，其不同的尖端形状决定了基板上加工出的光学元件的结构。

图19为加工完毕的部分基板截面示意，其上按照一定的排布规律在一定面域范围内填充了一定密度的内凹碰撞单元结构30。通过化学电铸等通常的工艺，在基板的光学元件面上沉积金属，达到一定厚度后进行金属层与基板的分离，金属层的厚度控制在1mm以内。

图20所示的为分离后金属层33的部分截面结构图，其上的凸起结构34与碰撞单元结构30向对应，形成了本发明所能应用于导光体加工的带有高出光效率的光学元件图形结构的金属基板。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims

1.一种制作带有光学元件图形结构的金属基板的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤二：根据信息处理系统中形成预设碰撞图案的坐标位置和大小，控制碰撞振荡装置和基板的相对运动，并使碰撞振荡装置撞击基板,在基板上得到符合预设碰撞图案的碰撞单元结构；

2.如权利要求1所述的制作带有光学元件图形结构的金属基板的方法，其特征在于：所述基板为表面粗糙度低于Ra2.0以下的镜面金属板或者镜面有机物胶板。

3.一种实现如权利要求1所述方法中碰撞过程的碰撞装置，其特征在于：包括有振荡设备（28），振荡设备（28）朝向基板（31）的一侧设有硬质碰撞头（29），基板（31）固定于碰撞台（311）上，所述振荡设备（28）和碰撞台（311）分别与信息处理系统（100）连接，在信息处理系统（100）中预设碰撞图案，所述振荡设备（28）和碰撞台（311）根据该预设碰撞图案的坐标位置和大小做相对运动使硬质碰撞头（29）撞击基板（31），在基板（31）上形成与硬质碰撞头（29）尖端相对应的碰撞单元结构（30）。

4.如权利要求3所述的碰撞装置，其特征在于：所述碰撞台（311）为可在XY轴方向移动或XYZ轴方向移动。

5.一种应用如权利要求1所述方法制作的导光体组件，其特征在于：包括导光体（1），在与导光体（1）表面区域（7）相异的端面上设有光源（2），所述光源（2）的主发光面（36）与导光体入光面（3）之间设有预定间隙；所述表面区域（7）上设有光学元件阵列（8），所述光学元件阵列（8）的形成是：振荡设备撞击基板后在基板上形成碰撞单元结构，通过金属沉积工艺得到碰撞单元结构的复制结构或者镜像复制结构。

6.如权利要求5所述的导光体组件，其特征在于：所述导光体（1）底面上设有反射部件（5），所述导光体（1）的表面区域（7）设有起保护和改变光学效果的保护膜（6）。

7.如权利要求5所述的导光体组件，其特征在于：所述导光体（1）上设有组件定位部（4），所述组件定位部（4）为凸出部或通孔或凹槽。

8.如权利要求5所述的导光体组件，其特征在于：所述光学元件阵列（8）为圆锥（9）、弧面柱（10）、四棱锥（11）、三角棱（12）、三棱锥（13）、斜三角棱（14）、圆冠（15）中的一种或多种结构，上述结构为立体且凹向表面区域（7）内部，并形成对光线产生反射折射作用的光学弧面（23）、斜面（25）、斜锥面（26）。

9.如权利要求5所述的导光体组件，其特征在于：所述导光体（1）为如下结构的一种或多种：弯曲面，或，在导光体（1）上开有第一空缺（21），或，在导光体（1）上开有第二空缺（23），所述光源（2）设置在第二空缺（23）的内壁上。