淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-0809201514121000
中文論文名稱 次毫米玻璃微透鏡之研製
英文論文名稱 Fabrication of a sub-millimeter glass lens
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 103
學期 2
出版年 104
研究生中文姓名 許智翔
研究生英文姓名 Zhi-Xiang Xu
學號 602370230
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2015-07-13
論文頁數 82頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-陳盈同
委員-劉道恕
中文關鍵字 玻璃模造  磨削加工  光固化樹脂  碳化鎢 
英文關鍵字 GMP  grinding  UV curing resin  tungsten carbide 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 隨著科技的蓬勃發展,光電產品不斷的推陳出新,從感光底片到數位相機時代,人們對於影像品質的追求越來越高,尤其朝向微小化尺寸的發展。小尺寸的光學透鏡用途廣泛,在醫療上能作為膠囊式內視鏡減少病患對於侵入性治療的不適感;在軍事上能進行不易使敵人察覺的超小型偵查機使用;而在生活上能發展出高畫質的視訊鏡頭或手機鏡頭。因此在光學元件的發展上,對於微小尺寸且複雜結構之光學透鏡有很大的前景。相較於塑膠透鏡,玻璃透鏡有更優越的化學性質,例如耐侵蝕、不易受潮、黃化等優點;在物理性質上,玻璃比塑膠更加耐刮、抗磨損、光學透性佳。所以高品質的微小透鏡是個很有前景的發展方向。
本研究致力於開發一套完整之次毫米玻璃微透鏡之研製成果。在本研究中進行了光固化樹脂鑽石砂輪之開發,以不同粒徑(2~4μm與30~40μm)的小尺寸砂輪(φ0.5mm)進行粗加工與精加工,應用於次毫米微玻璃透鏡之碳化鎢模具加工上,並成功生產出形狀精度達到0.12μm且表面粗糙度(Ra) 可達到2nm之模具。由於小尺寸砂輪(φ0.5mm)在模具加工上會因為砂輪的磨耗使得加工精度不佳,因此要透過多次的補償與加工方能達到對形狀精度的品質要求。將加工完成之碳化鎢模具對微小玻璃球(φ0.5mm)進行模造熱壓,其成果相當貼近模擬結果,探究其原因是由於玻璃球僅0.5mm,因此腔室內上下均熱板溫度能迅速且平均的傳遞至玻璃球上,使得模造溫度達理想狀態。成形透鏡之形狀精度能達到0.4μm以下且表面粗糙度達到10nm(Ra)以下。從各項研究結果證實,本研究所進行的樹脂砂輪開發與碳化鎢模具之製造能成功研製出次毫米玻璃微透鏡。
英文摘要 As the market driven demand in optical and electro-optical industries heading towards smaller, lighter, and higher quality, more and more optical components with micrometer to sub-millimeter feature size are required to be machined to very good surface finish and high profile accuracy. Typical examples include: endoscope/capsule endoscope, surveillance camera, mini optical monitoring systems, smart phones and wearable devices. In comparison to plastic lenses, glass lenses have higher and more stable refraction index, higher transmissivity, better chemical/mechanical resistance and better environmental durability. This means that whenever high resolution and high quality images are required, glass lenses will be the better choice. This research aims to develop a feasible and effective process to fabricate sub-millimeter glass lenses. To carry out the precision micro-grinding of tungsten carbide (WC) mold for glass molding, resin bond diamond grinding wheels of various grit sizes are produced by mixing, coating and UV-curing. Those wheels are trued to 0.5 mm or less in diameter and used in precision slant grinding process. WC molds are successfully generated to a surface finish and profile accuracy better than 2 nm (Ra) and 0.12 μm (P-V) respectively. Glass lenses are molded by these WC molds to a surface finish and profile accuracy better than 10 nm (Ra) and 0.4 μm (P-V) respectively in this study. This shows that the fabrication processes developed in this study are feasible and can be used to produce sub-millimeter glass aspheric lenses effectively.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 III
英文摘要 V
目錄 VII
圖目錄 X
表目錄 XIV
符號表 XVI
第一章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 研究背景 3
1-3 研究目的 4
第二章 文獻回顧與理論基礎 6
2-1 砂輪組成 6
2-2 磨削加工機制 8
2-3 硬脆材料移除機制 10
2-4 玻璃模造製程 15
2-5 光學玻璃材料 17
第三章 實驗方法與設備 25
3-1 實驗設計 25
3-2 實驗設備 25
3-2-1 紫外光固化設備 25
3-2-2 研磨設備 28
3-2-3 玻璃模造設備 29
3-2-4 量測儀器 31
3-3 實驗流程 38
3-4 實驗步驟 39
3-4-1 微小光固化樹脂鑽石砂輪之製作 39
3-4-2 模具加工 42
3-4-3 模造成形 46
第四章 結果與討論 48
4-1 微小鑽石樹脂砂輪之製作 48
4-2 微小砂輪之磨削結果 51
4-2-1 鑽石集中度對表面粗糙度之影響 51
4-2-2 鑽石集中度對形狀精度之影響 56
4-2-3 磨削比之探討 64
4-3 熱壓模流分析 70
4-4 次毫米微透鏡之成形 73
第五章 結論與未來展望 77
第六章 參考文獻 79

圖目錄
圖1-1 球面透鏡與非球面透鏡之成像差異 2
圖1-2 平行光穿過透鏡後之理論焦點與球面像差 2
圖1-3 預測曲線與補償曲線 4
圖1-4 膠囊式內視鏡構造 5
圖2-1 砂輪組成示意圖 7
圖2-2 碳化鎢微槽加工 8
圖2-3 磨削機制示意圖 9
圖2-4 砂輪磨耗形式(A)磨粒磨耗(B)磨粒破碎(C)結合劑破碎 13
圖2-5 鑽石磨粒之磨耗模式 14
圖2-6 玻璃與模具間之摩擦力變化 21
圖2-7 玻璃材料L-BAL42溫度-體積變化曲線圖 23
圖3-1 點光源機 27
圖3-2 防塵暗箱 28
圖3-3 NACHi ASP-MKE精密加工機 28
圖3-4 盟立GP-0165 玻璃模造機 29
圖3-5 光學金相顯微鏡 31
圖3-6 掃描式電子顯微鏡 32
圖3-7 光學投影機 33
圖3-8 OLYPUS 4100 共軛焦顯微鏡 34
圖3-9 超高精度三維輪廓量測儀 36
圖3-10 實驗流程圖 38
圖3-11 微小鑽針砂輪炳圖 41
圖3-12 砂輪製作流程示意圖 41
圖3-13 修整砂輪端面示意圖 43
圖3-14 修整砂輪外周示意圖 43
圖3-15 透鏡與模具面形 44
圖3-16 磨削加工示意圖 44
圖3-17 碳化鎢模具與套筒圖 47
圖4-1 垂直成形砂輪 49
圖4-2 水平成形砂輪 49
圖4-3 修整完之砂輪 49
圖4-4 各砂輪表粗趨勢圖 52
圖4-5 不同集中度砂輪表面切刃露出情形(A)45% (B)75% 53
圖4-6 模具表面加工痕跡(A)M5020 (B)M6210 53
圖4-7 大粒徑砂輪之模具表面加工情況(Ra) 54
圖4-8 小粒徑砂輪之模具表面加工情況(Ra) 55
圖4-9 共軛焦雷射顯微鏡量測非球面模具 57
圖4-10 補償前非球面模具之形狀精度 57
圖4-11 砂輪切削邊之磨耗 58
圖4-12 補償後模具量測圖 58
圖4-13 M5020 30-40μm形狀精度趨勢圖 59
圖4-14 M6210 30-40μm形狀精度趨勢圖 60
圖4-15 未磨耗砂輪圖 60
圖4-16 大粒徑砂輪上之大脫孔 60
圖4-17 大粒徑砂輪加工之形狀精度量測結果 61
圖4-18 M5020 2-4μm形狀精度趨勢圖 62
圖4-19 M6210 2-4μm形狀精度趨勢圖 62
圖4-20 小粒徑砂輪上之小脫孔 63
圖4-21 小粒徑砂輪加工之形狀精度量測結果 63
圖4-22 砂輪磨耗示意圖 64
圖4-23 大粒徑砂輪-磨削比 68
圖4-24 小粒徑砂輪-磨削比 69
圖4-25 上、下模具3D形貌圖 71
圖4-26 次毫米微小透鏡模擬圖 71
圖4-27 模擬透鏡尺寸圖 72
圖4-28 次毫米微小透鏡透鏡圖 73
圖4-29 FTS非球面量測圖 73
圖4-30 微小透鏡模擬透鏡非球面徑VS實際透鏡非球面徑 75
圖4-31 微小透鏡模擬透鏡Sag尺寸VS實際透鏡sag尺寸 75
圖4-32 微小透鏡模具形狀精度VS實際透鏡形狀精度 76

表目錄
表2-1 傳統研磨拋光及玻璃模造技術之比較 16
表2-2 光學玻璃與光學塑膠之特性比較表 18
表3-1 光固化樹脂之特性 26
表3-2 鑽石粉規格表 26
表3-3 點光源機基本資料 27
表3-4 NACHi ASP-MKE精密加工機規格表 28
表3-5 盟立GP-0165 玻璃模造機規格表 30
表3-6 OLYPUS 4100規格表 35
表3-7 Form Talysurf PGI 840規格表 37
表3-8 結合劑特性表 39
表3-9 鑽石規格表 40
表3-10 加工參數 42
表3-11 FB01材料表 43
表3-12 非球面參數 45
表3-13 SUMITA k-vc89基本性質 46
表3-14 SUMITA K-VC89模造成形參數 47
表4-1 砂輪尺寸 50
表4-2 模具表粗量測值 52
表4-3 大粒徑砂輪磨削比 66
表4-4 小粒徑砂輪磨削比 67
表4-5 次毫米微小透鏡熱壓模擬設定參數 70
表4-6 次毫米微小透鏡模擬尺寸 72
表4-7 微小透鏡模擬透鏡尺寸與實際透鏡尺寸量測值 74
參考文獻 【1】林志明、欒佩玲、蕭文良,“泛光學元件產業概況”,富邦投顧整理 ,2005。
【2】吳啟海,“非球面攝影鏡頭的主要特性及使用現狀”,11-14,2000。
【3】永信光學有限公司,“非球面透鏡簡介”,Retrieved from http://www.eyescare.com.tw/document/8
【4】耿繼業、何建娃,“幾何光學”,全華圖書,2009。
【5】王尊信、洪連輝,“像差(Optical aberration)”,Retrieved from http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=18833
【6】國家實驗研究院,“非球面玻璃透鏡模造成形技術”,Retrieved from http://www.itrc.narl.org.tw/Publication/Newsletter/no91/p08.php,2009。
【7】T. Zhou, J. Yan, Z. Liang, X. Wang, R. Kobayashi and T. Kuriyagawa, “Development of polycrystalline Ni–P mold by heat treatment for glass microgroove forming.”, Precision Engineering, 39, 25-30., 2015.
【8】L. Su, F. Wang, P. He, O. Dambon, F. Klocke and A. Y. Yi, “An integrated solution for mold shape modification in precision glass molding to compensate refractive index change and geometric deviation.”, Optics and Lasers in Engineering, 53, 98-103., 2014.
【9】張鳳玲、繆紹綱,“人體內的小型偵察機──膠囊內視鏡” ,Retrieved from http://www.twdrc.com/pillcam/hub/article0501.html。
【10】K. Li, Q. Guo, M. Liu, Y. Zhao and D. Shi, “A study on pore-forming agent in the resin bond diamond wheel used for silicon wafer back-grinding.”, Procedia Engineering, 36, 322-328., 2012 .
【11】J. Aurich, J. Engmann, G. Schueler and R. Haberland, “ Micro grinding tool for manufacture of complex structures in brittle materials.”, CIRP Annals-Manufacturing Technology, 58(1), 311-314., 2009.
【12】W. Lortz, “A model of the cutting mechanism in grinding.”, Wear, 53(1), 115-128., 1979.
【13】曾健棕,“應用雙軸振動於碳化鎢磨削之研究”,2007。
【14】F. Fang and L. Chen, “Ultra-precision cutting for ZKN7 glass.”, CIRP Annals-Manufacturing Technology, 49(1), 17-20., 2000.
【15】Z. Zhong and N. P. Hung, “Grinding of alumina/aluminum composites.”, Journal of Materials Processing Technology, 123(1), 13-17., 2002.
【16】H. Huang, L. Yin and L. Zhou, “High speed grinding of silicon nitride with resin bond diamond wheels. ”, Journal of Materials Processing Technology, 141(3), 329-336., 2003.
【17】A. Abdullah, A. Pak, M. Farahi and M. Barzegari, “Profile wear of resin-bonded nickel-coated diamond wheel and roughness in creep-feed grinding of cemented tungsten carbide. ”, Journal of Materials Processing Technology, 183(2), 165-168., 2007.
【18】F. Chen, S. Yin, H. Huang and H. Ohmori, “Fabrication of small aspheric moulds using single point inclined axis grinding. ”, Precision Engineering, 39, 107-115., 2015.
【19】M. Alfares and A. Elsharkawy, “Effect of grinding forces on the vibration of grinding machine spindle system. ”, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 40(14), 2003-2030., 2000.
【20】S. Luo and Y. Liu, “Effect of copper filler of resin-bonded diamond composites on the wear behaviours under a dry condition.”, Journal of Materials Processing Technology, 96(1), 215-224., 1999.
【21】馬廣仁、趙崇禮,“精密模造玻璃技術”,2005。
【22】L. Su, P. He and A. Y. Yi, “Investigation of glass thickness effect on thermal slumping by experimental and numerical methods”, Journal of Materials Processing Technology, 211,1995-2003, 2011.
【23】王興邦、徐瑞坤,“玻璃微熱壓之成形特性研究”,2002。
【24】 姜燮堂,“光學塑膠元件”,產業調查與技術季刊,(145),60-76,2007。
【25】許阿娟、朱嘉雯、林佳芬、陳志隆,“光學系統設計進階篇”,第一版, 第四章,2001。
【26】林正淳,“光學機構設計 : 光電產品的設計聖經”,初版,2008。
【27】E. L. Bourhis, “Glass: Mechanics and technology”, John Wiley & Sons., 2008.
【28】P. Mosaddegh and J. C. Ziegert, “Friction measurement in precision glass molding: An experimental study”, Journal of Non-Crystalline Solids, 357, 3221-3225, 2011.
【29】L. Su and A. Y. Yi, “Investigation of the effect of coefficient of thermal expansion on prediction of refractive index of thermally formed glass lenses using FEM simulation.”, Journal of Non-Crystalline Solids, 357(15), 3006-3012., 2011.
【30】J. Yan, T. Zhou, J. Masuda and T. Kuriyagawa, “Modeling high-temperature glass molding process by coupling heat transfer and viscous deformation analysis. ”, Precision Engineering, 33(2), 150-159., 2009.
【31】W. Liu, P. Shen and N. Jin, “Viscoelastic properties of chalcogenide glasses and the simulation of their molding processes”, Physics Procedia, 19, 422-425, 2011.
【32】Olympus.ols4100, Retrieved from http://www.olympus-ims.com/en/metrology/ols4100/#!cms[tab]=%2Fmetrology%2Fols4100%2Fspecifications
【33】DIJET, “WEAR and IMPACT RESISTANT TOOLS”, Retrieved from http://www.dijet.co.jp/english/catalog/pdf/wirt/wirt.pdf
【34】SUMITA.k-vc89, Retrieved from http://www.sumita-opt.co.jp/abbe/pdf/k-vc89.pdf?1436037931
【35】Panasonic株式會社,“光學模組事業部 概要”,2014。
【36】楊宗祐,“小尺寸超硬模具之研製”,淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文,5-21,2014。
【37】王琬萱,“模造玻璃微陣列平凸透鏡之研究”,淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文,10-35,2013。
【38】鄭凱文,“玻璃 Fresnel 透鏡之設計及製作”,淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文,13-43,2012。
【39】陳育琨,“模造玻璃繞射光學元件之模擬分析及相關製程研究”,淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文,20-53,2011。
【40】C. L. Chao, W. H. Wang, W. C. Chou, C. J. Chang, C. J. Shih, K. J.
Ma and W. H. Fan, “Fabrication of sub-millimetre aspheric WC moulds for glass moulding process”, to be appeared in ISAAT-2015.
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2020-09-09公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2020-09-09起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2486 或 來信