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系統識別號 U0002-0503201812452200
中文論文名稱 模造玻璃非球面透鏡陣列之研究
英文論文名稱 Simulation and experimental study of glass moulding of aspheric lens array
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 106
學期 1
出版年 107
研究生中文姓名 李銘
研究生英文姓名 Ming Lee
電子信箱 gkvupu0@gmail.com
學號 604350263
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2017-01-23
論文頁數 105頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-劉道恕
委員-馬廣仁
中文關鍵字 非球面透鏡陣列  玻璃模造  無電鍍鎳  退火 
英文關鍵字 Aspheric lens array  Glass molding  Electroless nickel  Annealing 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 由於光電、半導體等器件的快速發展,高精度及客制化的元件需求量很大。光學元件已經從平面、球面、非球面發展為自由形狀的幾何形狀。隨著精密光學元件的複雜形狀和小尺寸的需求穩定增加,在開發新技術和改進現有方法以有效和經濟地生產這些技術方面已經作出了許多努力元件。微透鏡陣列(MLA)在小而輕的情況下,可以額外提供一些普通單透鏡系統中缺乏的3D資訊。因此,在光場攝像機、晶圓級光學和微型投影儀等系統中,扮演著重要的角色。然而,自由曲面的微透鏡陣列相當難加工及成形。當這些MLA由玻璃成形時,製作變得更加棘手。玻璃模造製程 (GMP) 是近年來實現精密玻璃光學元件量產的方法之一。本研究旨在微透鏡陣列的製作過程。本研究採用金剛石車削與微銑削技術結合的方法,製作用於GMP的MLA模仁。本研究採用了新型成型製程,孔板成型製程,以取代現有的玻璃板材成型製程,製作精密玻璃微透鏡陣列。研究中進行模擬和實驗了解形成過程。所得結果顯示,與現有的玻璃板材成型製程相比,新方法有顯著降低成形壓力並提供了更佳的成形性。
英文摘要 Owing to the fast development in opto-electronic, semiconductor, components of high precision and customized shapes are in great demand. The optical components have evolved from planar, spherical, aspheric to free-form geometries. As the demand for precision optical components with complex shape and small feature size steadily increasing, numerous efforts have been made in developing new techniques and in improving the existing approaches to efficiently and economically produce those components. On top of being small and light, micro-lens array (MLA) can offer some extra 3D information which the ordinary single lens system is lack of. As a result, MLA plays an important role in systems such as light field camera, Wafer Level Optics and Pico projector. However, the free-form shapes of MLA makes it rather difficult to machine and to form. Things get even tougher when those MLAs are to be made of glass. Glass moulding process (GMP) is one of these methods to enable mass production of precision glass optical components in recent years. This research aimed to study on the fabrication processes of MLA. Diamond turning in conjunction with micro-milling techniques are adopted in this research to fabricate molds for GMP of MLA. A novel molding process, hole-plate molding process, is adopted in this research to replace the existing glass plate molding process for fabricating precision glass micro-lens arrays. Both simulation and experiments are conducted in this study to investigate the forming process of MLAs. The obtained results show that, in comparison to the existing glass plate molding process, the new approach can dramatically reduce the forming pressure and offers much better formability.
論文目次 誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究背景 6
1-3研究目的與動機 7
第二章 文獻回顧與理論基礎 10
2-1光學玻璃材料性質 10
2-1-1光學玻璃材料之光學性質 10
2-1-2光學玻璃材料之機械性質 12
2-1-3光學玻璃材料之化學、物理性質 14
2-1-4光學玻璃材料之熱性質 14
2-1-5光學玻璃組成 16
2-2模造模具之要求與製作 20
2-3無電鍍處理 21
2-4模具表面披覆保護膜層之目的與特性 25
2-5玻璃模造製程 26
2-6有限元素法模擬 33
第三章 研究方法與步驟 35
3-1研究規劃 35
3-2研究設備 38
3-2-1軟體設備 38
3-2-2硬體設備 38
3-2-3研究材料 44
3-3研究方法及步驟 45
3-3-1模造參數之模擬 46
圖3- 12基礎參數模擬之平凸透鏡模具及預形體3-3-2不同透鏡形式微陣列透鏡之模擬 46
3-3-3模造陣列透鏡實驗 48
3-3-4無電鍍鎳之熱處理 50
第四章 研究結果與討論 52
4-1模擬成形溫度對於成形壓力之影響 52
4-2模擬加壓速度對於成形壓力之影響 54
4-3模擬矢高量對於成形壓力之影響 57
4-4模擬透鏡形式之影響(平凸透鏡/雙凸透鏡/凹凸透鏡) 59
4-5陣列透鏡之模造實驗結果 63
4-6無電鍍鎳之熱處理 68
第五章 結論及未來展望 99
附錄一 101
第六章 參考文獻 102



圖目錄
圖1- 1台灣精密光學產業結構【1】 2
圖1- 2台灣精密光學元件產值發展趨勢【1】 3
圖1- 3蒼蠅的複眼【2】 4
圖1- 4微透鏡陣列在 VCSEL 方面的應用 5
圖2- 1折射示意圖【4】 10
圖2- 2 SCHOTT公司光學玻璃之Abbe Number分佈【5】 12
圖2- 3玻璃材料 L-BAL42 體積變形曲線圖【9】 15
圖2- 4結晶二氧化矽空間結構【11】 18
圖2- 5顯示網狀修飾劑對光學玻璃之影響【11】 19
圖2- 6電鍍與無電鍍之鍍層均勻性比較【17】 23
圖2- 7熱處理 1 小時後磷含量對硬度的影響【17】 25
圖2- 8平板玻璃預型體【25】 29
圖2- 9球狀玻璃預型體【26】 30
圖2- 10碁子狀玻璃預型體(上方)【27】 30
圖2- 11球面鏡片預型體【28】 31
圖2- 12模造加壓示意圖:(a)加熱(b)加壓(c)退火(d)冷卻 32
圖2- 13碳化鎢材料模擬持溫(a)120秒(b)180秒(c)220秒 34
圖3- 1傳統模造法模壓陣列透鏡(模壓玻璃板材) 35
圖3- 2孔板模造法模壓陣列透鏡(孔板+球玻璃預形體) 36
圖3- 3實驗規劃 37
圖3- 4高溫氣氛爐管 39
圖3- 5空氣泵浦 39
圖3- 6石英舟載台 40
圖3- 7玻璃面板成形機(GP-0165) 41
圖3- 8玻璃面板成形機立體圖 41
圖3- 9光學顯微鏡 42
圖3- 10雷射共軛焦顯微鏡 43
圖3- 11超音波清洗機 43
圖3- 12基礎參數模擬之平凸透鏡模具及預形體 46
圖3- 13模仁及孔板尺寸圖 48
圖3- 14車削至鏡面之無電解鎳試片 51
圖4- 1溫度與荷重之關係 53
圖4- 2速度改變對於荷重之影響 55
圖4- 3基礎參數對於荷重之影響 56
圖4- 4孔板法-模擬平凸透鏡於不同矢高之趨勢圖 58
圖4- 5孔板法-模擬雙凸透鏡於不同矢高之趨勢圖 60
圖4- 6孔板法-模擬凹凸透鏡於不同矢高之趨勢圖 60
圖4- 7 Sag150之孔板法及板壓法荷重比較 62
圖4- 8 Sag150陣列數量之比較 62
圖4- 9使用銅作為孔板材料之2*2陣列透鏡OM圖 65
圖4- 10使用不銹鋼作為孔板材料之2*2陣列透鏡OM圖 65
圖4- 11模仁透鏡轉印於孔板材料 66
圖4- 12模具上下模卡死 66
圖4- 13成形透鏡之雷射共軛焦顯微鏡圖 67
圖4- 14不同熱處理溫度之表面形貌 70
圖4- 15熱處理後表面粗糙度Sa之趨勢圖 71
圖4- 16熱處理後表面粗糙度Sz之趨勢圖 72
圖4- 17熱處理後表面粗糙度Sq之趨勢圖 73
圖4- 18熱處理溫度對無電鍍鎳硬度之影響 74
圖4- 19各參數熱處理鑲埋試片 75
圖4- 20熱處理溫度600°C之裂紋兩側高低差 76
圖4- 21使用模造機熱處理溫度600°C之裂紋兩側高低差 76
圖4- 22熱處理溫度300°C,SEM照-右 77
圖4- 23熱處理溫度300°C,SEM照-左 78
圖4- 24熱處理溫度300°C,SEM照-邊緣 79
圖4- 25熱處理溫度400°C,SEM照-裂紋1 80
圖4- 26熱處理溫度400°C,SEM照-裂紋2 81
圖4- 27熱處理溫度400°C,SEM照-裂紋3 82
圖4- 28熱處理溫度400°C,SEM照-裂紋4 83
圖4- 29熱處理溫度500°C,SEM照-裂紋1 85
圖4- 30熱處理溫度500°C,SEM照-裂紋2 86
圖4- 31熱處理溫度500°C,SEM照-裂紋3 87
圖4- 32熱處理溫度600°C,SEM照-裂紋1 88
圖4- 33熱處理溫度600°C,SEM照-裂紋2 90
圖4- 34熱處理溫度600°C,SEM照-裂紋3 91
圖4- 35熱處理溫度600°C,升溫速率0.04°C/s,SEM照-裂紋1 92
圖4- 36熱處理溫度600°C,升溫速率0.04°C/s,SEM照-裂紋2 93
圖4- 37熱處理溫度600°C,高溫爐管 SEM照-裂紋1 94
圖4- 38熱處理溫度600°C,模造機,SEM照 96
圖4- 39熱處理溫度600°C,高溫爐管 SEM照-裂紋 98


表目錄
表1- 1光學玻璃與光學塑膠之特性比較表【3】 8
表2- 1光學玻璃網狀修飾物優劣比較【11】【12】【13】 19
表2- 2研磨拋光技術及玻璃模造技術之比較【24】 26
表3- 1玻璃面板成形機(GP-0165)規格資料 41
表3- 2熱壓實驗參數表 48
表3- 3熱處理實驗參數 50
表4- 1溫度之模擬規劃 52
表4- 2溫度改變對於荷重之影響 52
表4- 3速度之模擬規劃 54
表4- 4速度改變對於荷重之影響 54
表4- 5模擬之預形體尺寸規格表 57
表4- 6矢高模擬參數表 57
表4- 7矢高與荷重之模擬結果 57
表4- 8透鏡形式模擬參數規劃 59
表4- 9各類透鏡模擬模擬之比較表 60
表4- 10熱壓實驗升溫參數表 63
表4- 11熱壓實驗之降溫參數表 63
表4- 12熱壓實驗之成形壓力參數表 63
表4- 13無電鍍鎳不同熱處理溫度之參數 68
表4- 14無電鍍鎳不同升溫速率熱處理之參數 68
表4- 15無電鍍鎳不同加熱設備熱處理之參數 68
表4- 16熱處理後之表面形貌Sa (63 mm×63 mm) 71
表4- 17熱處理後之表面形貌Sz (63 mm×63 mm) 71
表4- 18熱處理後之表面形貌Sq (63 mm×63 mm) 72
表4- 19鑲埋參數 74

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【30】 吳宗憲、趙崇禮,‘光學玻璃與各種抗沾黏膜及模具材料界面化學反應之研究’,淡江大學碩士論文,2008年。
論文使用權限
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