為因應人們對影像品質及相關光學系統持續翻新的”苛刻”要求，對小尺寸且形狀/結構複雜之光學鏡片/鏡頭模組的需求也隨之快速成長；其中，微米~次毫米尺度，具有優越表面粗糙度與高形狀精度之微非球面透鏡及自由曲面透鏡更是需求日益殷切的光學元件。通常為了能獲得較佳的光學性能表現，光學透鏡/鏡頭模組必須具有高且穩定之折射率、高穿透率、優越的耐蝕性及耐刮削、衝擊性與優良的環境耐久性等高品質光學元件之基本需求。相較於塑膠鏡片，光學玻璃鏡片雖然成本較高且較不易生產，但卻比塑膠材料更能滿足上述之各項需求。
   本研究致力於研發可行且有效率生產次毫米尺寸非球面玻璃透鏡/陣列式玻璃透鏡之製程，本研究致力於研發可行且有效率生產次毫米尺寸非球面玻璃透鏡/陣列式玻璃透鏡之製程，研究中除研製UV光固化樹脂鑽石砂輪(直徑0.4mm、 磨粒粒徑2~4μm / 30~40μm) 並搭配開發線上磨耗監控系統運用於超精密磨削加工以成功產出表面粗糙度優於8nm(Ra)且形狀精度優於0.2μm之碳化鎢模具，並以此模具模造成形出表面粗糙度優於10nm且形狀精度優於0.5μm而直徑為0.5mm之玻璃非球面透鏡。
  由於小尺寸砂輪因磨耗導致的加工形狀誤差，通常需經由多次的誤差補償計算及反覆加工，才可滿足嚴謹的形狀精度需求。因此，若使用磨削加工方式加工陣列式透鏡模具必定需要極其冗長的加工時間，難於被業界所接受，本研究開發出另一種模具製作方式，即為單點鑽石微銑削加工電漿離子滲氮處理過之不銹鋼材料，可大幅縮短製作模具之時間，首先將鋼材STAVAX與SKD61做粗創加工後進行離子滲氮表面處理，再使用精密鑽石微銑削加工得到最終形狀，本研究中以加工製作一4*4非球面微陣列模具為驗證，每顆透鏡直徑為1.5mm，最大矢高量(Sag)為24.4μm，微銑削加工所模具之每顆透鏡表面粗糙度均優於10nm且形狀精度優於1μm；而利用此不銹鋼模具進行熱壓成形之玻璃透鏡，透鏡表面粗糙度可控制於10nm以下且形狀精度在3μm以下，各項結果證實本研究開發之製程可精確且有效率的製作出次毫米尺寸非球面玻璃透鏡與陣列式非球面透鏡。

Owing to the fast growing demands for smaller and more complex optical systems, micrometer to sub-millimeter lenses and free-formed optics with superb surface finish and high profile accuracy are attracting more and more attention. To pursue better performance, higher and more stable refraction index, higher transmissivity, better chemical/mechanical resistance and better environmental durability are normally the basic requirements of a high quality optical lens/lens module. In comparison to plastic lenses, glass lenses, though relatively more expensive and difficult to produce, have the advantages of better meeting most of the above mentioned requirements.
   This research aims to develop an effective process to fabricate sub-millimeter glass lenses and glass lens arrays. UV-cured resin bond diamond grinding wheels of 2~4 µm /30~40 µm in grit size and 0.4 mm in diameter together with in-process optical wear monitoring system were developed and adopted in the precision slant grinding process to successfully generate tungsten carbide (WC) molds of surface finish and profile accuracy better than 8 nm (Ra) and 0.2 µm (P-V) respectively. Glass lenses of 0.5 mm in diameter were subsequently molded by the machined WC molds to a surface finish and profile accuracy better than 10 nm (Ra) and 0.5 µm (P-V) respectively. 
   Due to the small dimension of grinding wheel, it generally takes many grinding cycles to compensate the form error induced by wheel wear and to meet the stringent profile accuracy requirements. This means that the machining time for a micro lens array will be too long to be industrially viable. An alternative mold producing process namely plasma nitrided stainless steels in conjunction with single point diamond mcro-milling technique was developed to shorten the mold fabrication time. STAVAX and SKD61 were rough machined and plasma-nitrided before the final profile was generated by precision diamond micro-milling process. A 4X4 aspheric micro-lens array with lens size of 1.5mm and maximum sag of 24.4 μm was successfully produced with all aspheric lenses machined to a surface finish and profile accuracy better than 10 nm (Ra) and 1 µm (P-V) respectively. The molded glass aspheric micro-lens array generated using this mold has a surface finish (Ra)/profile accuracy (P-V) better than 10 nm/3 µm. The results obtained in this study demonstrate that sub-millimeter glass aspheric lenses and glass aspheric lens arrays can be accurately and effectively produced by the developed processes.

誌謝	I
中文摘要	III
英文摘要	V
目錄	VII
圖目錄	XI
表目錄	XVII
第一章緒論	1
1-1前言	1
1-2研究動機/目的	5
1-3文獻回顧與理論基礎	7
1-3-1光學玻璃特性	7
1-3-2模造製程	14
1-3-3超精密磨削砂輪	23
1-3-3-1磨粒/結合劑 類型	26
1-3-3-2 UV光固化技術	32
1-3-3-3砂輪的磨耗，修整與削銳	40
第二章 超精密加工	45
2-1超精密磨削加工	45
2-1-1碳化鎢特性	48
2-1-2磨削加工機制	52
2-1-3延/脆性磨削模式	58
2-1-4磨削加工條件	61
2-2超精密切削加工	67
2-2-1鑽石切削金屬	69
2-2-2鑽石刀具磨耗	74
2-2-3電漿離子滲層處理	77
2-2-4切削加工條件	83
第三章 實驗規劃與方法	87
3-1實驗目的	87
3-2實驗規劃	90
3-3實驗方法與步驟	92
3-3-1次毫米非球面透鏡/微小砂輪製作	92
3-3-2次毫米非球面透鏡/模具加工	95
3-3-3次毫米非球面透鏡/模造成形	100
3-3-4微陣列透鏡/模具加工	102
3-3-5微陣列透鏡/模造成形	106
3-4實驗設備	108
第四章 模具加工/結果與討論	120
4-1微小砂輪之磨削加工參數探討	120
4-1-1鑽石粒徑與表面粗糙度之關係	120
4-1-2鑽石集中度比例與形狀精度之關係	124
4-1-3磨削比之探討	134
4-2離子滲氮之切削加工參數探討	138
4-2-1滲層厚度、硬度、結構	138
4-2-2平面車削	140
4-2-3陣列銑削	147
第五章 玻璃成形熱壓/結果與討論	150
5-1次毫米微小透鏡之成形	150
5-1-1次毫米微小透鏡之熱壓模流分析	150
5-1-2次毫米微小透鏡之成形	153
5-2微陣列玻璃透鏡之成形	156
5-2-1微陣列玻璃透鏡之熱壓模流分析	156
5-2-2微陣列玻璃透鏡之成形	159
第六章 結論	166
參考文獻	172
附件一	184
附件二	186
附件三	192

圖目錄
圖1-1 玻璃模造熱壓成形流程圖	2
圖1-2 碳化鎢硬脆材料	3
圖1-3 各式鑽石砂輪圖	4
圖1-4 折射示意圖	7
圖1-5 Schott公司光學玻璃之Abbe Number分佈	9
圖1-6 玻璃模造流程圖	14
圖1-7 平板玻璃預形體	15
圖1-8 玻璃預形體	15
圖1-9球面鏡片預形體	16
圖1-10 玻璃模造示意圖	22
圖1-11 砂輪組成示意圖	23
圖1-12 軟砂輪加工示意圖	24
圖1-13 硬砂輪加工示意圖	25
圖1-14 光固化之反應示意圖	33
圖1-15 光起始劑濃度與固化速率關係圖	38
圖1-16 二氧化矽與彈係模數關係圖	39
圖1-17 磨耗示意圖(A)磨粒磨耗(B)磨粒破碎(C)結合劑破碎	40
圖1-18 砂輪的磨損過程分析圖	41
圖1-19 鑽石磨粒之磨耗模式	42
圖1-20 砂輪表面(a)修整與(b)削銳程序表面形貌示意圖	43
圖2-1 材料移除機制圖	46
圖2-2 超精密磨削特性	47
圖2-3 碳化鎢晶體結構圖	50
圖2-4 WC-Co微結構圖	50
圖2-5 磨削加工示意圖	53
圖2-6 切削、犁切與摩擦三階段模型	54
圖2-7 延性加工模式-碳化鎢工件表面圖	56
圖2- 8 脆性加工模式-碳化鎢工件表面圖	56
圖2-9 延性加工模式示意圖	59
圖2-10 玻璃磨削移除機制圖	60
圖2-11 進給與表粗關係圖	62
圖2-12 磨削速度與磨削力關係圖(粗加工)	63
圖2-13 磨削速度與磨削力關係圖(精加工)	63
圖2-14 表粗與磨粒大小、進給與加工速度關係圖	64
圖2-15 不同加工速度下進給與砂輪磨耗關係圖	65
圖2-16 不同加工速度下進給與表粗關係圖	65
圖2-17 砂輪軸振動與磨削速度關係圖	65
圖3-1 實驗流程圖	91
圖3-2 微小鑽頭/砂輪炳圖	93
圖3-3 棒狀砂輪製作示意圖	93
圖3-4 自製砂輪塗佈完成圖	94
圖3-5 修整砂輪架設圖	95
圖3-6 CCD砂輪影像圖	96
圖3-7 修整砂輪端面	96
圖3-8 修整砂輪端面示意圖	97
圖3-9 修整砂輪外周	97
圖3-10 修整砂輪外周示意圖	98
圖3-11 磨削加工示意圖	99
圖3-12 碳化鎢模具與套筒圖	100
圖3-13 SUMITA K-VC89玻璃球	100
圖3-14 試片破片示意圖	103
圖3-15 量測硬度示意圖	103
圖3-16 鑽石銑刀	104
圖3-17 不鏽鋼模具與套筒圖	106
圖3-18 Schott  P-PK53玻璃特性	107
圖3-19 NACHI-ASP01超精密加工機	108
圖3-20 超精密加工示意圖	109
圖3-21 UV光源機	110
圖3-22 防塵暗箱	111
圖3-23 盟立GP-0165 玻璃模造機	112
圖3-24 光學顯微鏡	114
圖3-25 掃描式電子顯微鏡	115
圖3-26 雷射共軛焦顯微鏡	116
圖3-27 光學投影機	118
圖3-28 超高精度三維輪廓量測儀	119
圖4-1 結合劑M5020-不同粒徑表粗趨勢圖	122
圖4-2 結合劑M6210-不同粒徑表粗趨勢圖	122
圖4-3 各式砂輪加工表粗比較-粗加工	123
圖4-4 各式砂輪加工表粗比較-精加工	123
圖4-5 M5020  30~40μm 形狀精度趨勢圖	127
圖4-6 M6210  30~40μm 形狀精度趨勢圖	128
圖4-7 未磨耗砂輪圖	128
圖4-8 砂輪磨耗圖	129
圖4-9 M5020 2~4μm 形狀精度趨勢圖	132
圖4-10 M6210  2~4μm 形狀精度趨勢圖	133
圖4-11 自製砂輪PV、Ra比較圖	133
圖4-12 粗加工磨削比	136
圖4-13 精加工磨削比	137
圖4-14 STAVAX、SKD61斷面硬度比較圖	139
圖4-15 滲層SEM圖	139
圖4-16 STAVAX&SKD61 切深與表粗關係圖	141
圖4-17 STAVAX&SKD61 進給與表粗關係圖	142
圖4-18 試片形貌與刀具磨耗圖	143
圖4-19 兩種表面處理方式之刀具磨耗圖	146
圖4-20 銑削加工	148
圖4-21 陣列式鏡片模具圖	148
圖4-22 銑削加工模具之PV、RA	148
圖4-23 銑刀磨耗SEM圖	149
圖5-1 上、下模具3D形貌圖	151
圖5-2 次毫米微小透鏡模擬圖	151
圖5-3 模擬鏡片尺寸圖	152
圖5-4 次毫米微小透鏡鏡片圖	153
圖5-5 FTS微小透鏡量測圖	153
圖5-6 微小透鏡模擬鏡片非球面徑VS實際鏡片非球面徑	154
圖5-7 微小透鏡模擬鏡片Sag尺寸VS實際鏡片Sag尺寸	155
圖5-8 微小透鏡模具形狀精度VS實際鏡片形狀精度	155
圖5-9 P-PK53雙平面熱壓模擬示意圖	157
圖5-10 圓錠狀鏡片模擬圖	157
圖5-11 微陣列鏡片模擬示意圖	157
圖5-12 圓錠狀預形體圖	159
圖5-13 微陣列鏡片	159
圖5-14 FTS鏡片尺寸量測圖	160
圖5-15 陣列透鏡模擬鏡片直徑尺寸VS實際鏡片直徑尺寸	162
圖5-16 模擬鏡片Sag尺寸VS實際鏡片Sag尺寸	162
圖5-17 熱壓後模具OM圖	163
圖5-18 成形後鏡片OM圖	163
圖5-19 成形後鏡片形狀精度量測圖	164
圖5-20 鏡片形狀精度VS模具形狀精度	165

表目錄
表1-1 玻璃模造模仁之鍍層比較	18
表1-2 磨料的特性及使用範圍	27
表1-3 各種結合劑的特性及用途	29
表1-4 熱固性樹脂與紫外光固化樹脂之性能比較表	30
表1-5 單體或寡聚合物的官能基數目與性能之關係	34
表1-6 官能基與物性之關聯表	36
表1-7 自由基型與陽離子基型的比較	37
表3-1 兩款樹脂之特性	92
表3-2 鑽石粉規格表	92
表3-3 磨削加工參數	98
表3-4 模具非球面方程式與係數	99
表3-5 SUMITA K-VC89玻璃特性表	101
表3-6 SUMITA K-VC89模造成形參數	101
表3-7 滲氮參數	102
表3-8 車削加工參數	104
表3-9 陣列鏡片非球面係數	105
表3-10 銑削加工參數	105
表3-11 Schott  P-PK53模造成形參數	107
表3-12 超精密加工機NACHi ASP01規格表	109
表3-13 光源機基本資料表	110
表3-14 盟立GP-0165 玻璃模造機規格表	113
表3-15 雷射共軛焦顯微鏡 Keyence VK-9700規格表	117
表4-1 結合劑M5020 /模具表粗量測值	121
表4-2 結合劑6210 /模具表粗量測值	121
表4-3 M5020  30~40μm 形狀精度值	125
表4-4 M6210  30~40μm 形狀精度值	126
表4-5 M5020  2~4μm 形狀精度值	130
表4-6 M5020  2~4μm 形狀精度值	131
表4-7 砂輪磨削比數據	135
表4-8 STAVAX 460℃-10Hrs 斷面硬度值	138
表4-9 SKD61 460℃-10Hrs 斷面硬度值	138
表4-10 STAVAX表面粗糙度/固定進給	140
表4-11 SKD61表面粗糙度/固定進給	140
表4-12 STAVAX表面粗糙度/固定切深	141
表4-13 SKD61表面粗糙度/固定切深	142
表4-14 離子滲氮與無電解鎳處理表面粗糙度比較表	146
表5-1 次毫米微小透鏡熱壓模擬設定參數	150
表5-2 次毫米微小透鏡模擬尺寸	152
表5-3 微小透鏡模擬鏡片尺寸與實際鏡片尺寸量測值	154
表5-4 微陣列鏡片熱壓模擬設定參數	156
表5-5 微陣列鏡面模擬尺寸	158
表5-6 陣列透鏡模擬鏡片尺寸與實際鏡片尺寸量測值	160

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