节能型弧形微棱镜阵列的光学设计与精密磨削研究

发布时间：2020-05-29 08:04

【摘要】：随着能源和环境的危机,环保和节能的LED照明已经被广泛采用。LED照明通常采用多排多个LED光源,通过均匀点阵和直线微棱镜阵列的导光面板实现点光到面光,但会导致高能耗等问题。因此,提出一种新型的弧形微棱镜阵列结构,仅仅适配单个或两个LED光源,研究弧形微棱镜阵列导光的微光学原理及性能,配光设计弧形微棱镜阵列的空间几何结构参数,实现更加节能的照明效果。但是,尚未有集成形状精度和表面光滑的弧形微棱镜阵列结构表面加工方法。为此,采用高精度修整的金刚石砂轮微尖端,提出三轴数控一轴差动的过切微磨削方法,利用多轴数控技术控制微过切的弧形微棱镜阵列结构空间曲面参数。开发仅一道工序的精密过切微磨削工艺,研究弧形微棱镜阵列结构的磨削成型机制和精度控制方法。利用该精密微磨削工艺加工出高精度的微成型金属模芯,进而研究弧形微棱镜阵列导光板的热压微成型工艺,实现光学聚合物导光板(PMMA)的快速批量化生产。首先,提出三轴数控一轴差动的过切微磨削方法,构建微棱镜结构曲面的参数化模型,然后在数控精密磨床上加工出弧形微棱镜阵列结构导光板。实验表明,过切微磨削方法能够加工出光滑的、高深宽比的弧形微棱镜阵列结构导光板,其尺寸误差小于0.5%,深宽比可以达到0.24,表面粗糙度可以达到94 nm。应用到照明用的光学聚合物导光板,弧形微棱镜阵列与直线微棱镜阵列相比,不但减少微棱镜条数73.8%,而且,提高导光效率45.5%,提高均匀度15.3%。然后,应用开发的过切微磨削工艺加工高硬度的成型金属模芯。为了确保加工的微结构精度,研究磨削工艺参数与刀具磨损率的作用机制。实验表明,加工55HRC的S136H模具钢表面,角度为125.2°和深度为387.5μm的弧形微棱镜,尺寸误差小于0.2%,形状误差小于1.9%,深宽比达到0.23,表面粗糙度为152 nm。最后,将微结构成型模芯应用于热压成型技术,开发快速和批量化生产导光板的热压微成型工艺,通过实验研究微棱镜填充率和表面粗糙度对产品性能的影响。实验表明,在工艺条件为热压温度120℃,成型压力12 MPa,保压时间7 s时,热压微成型导光板的导光效率能够达到82.2%。此外,弧形微棱镜阵列结构能够降低光源温度1.7℃,降低导光板整体温度1.2℃,达到更加均匀的散热效果。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74

【参考文献】