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系統識別號 U0002-0909201415210200
中文論文名稱 以壓印法於玻璃基板上成型微光學元件之研究
英文論文名稱 Fabrication of Glass-based Micro-optical Components by Imprinting Technique
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 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 蘇啟誠
研究生英文姓名 Chi-Cheng Su
學號 601370967
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-07-10
論文頁數 104頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-馬廣仁
委員-陳順同
中文關鍵字 壓印法  溶膠-凝膠法  微光學元件 
英文關鍵字 Imprinting  Sol-gel  Micro-optical 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 繞射光學元件受到越來越多工業與科技業的關注,其除了有許多良好的光學性質,也可以顯著降低光學系統的重量和體積,與塑膠基板繞射光學元件相比,玻璃基板繞射光學元件有更高的強度、更好的耐化學性、更好的環境耐久性(特別是在高溫或高UV曝光度的環境)及更高的折射率,但在玻璃上製作繞射結構圖案相當困難且昂貴。本研究利用溶膠-凝膠法配合壓印技術,開發一種更快、更便宜的方式於玻璃基板上製作微光學元件,將不同尺寸和形狀的微結構以溶膠-凝膠法和壓印技術,在各種成型條件下複製於玻璃基板上。本研究對預熱溫度、塗層與荷重的影響進行了調查,並提出用於產生最小誤差的微光學結構補償曲線。
英文摘要 Diffractive optical elements (DOEs) are getting more and more attentions from industries and research institutes for it, amongst many benefits over the refractive optics, can significantly reduce the mass and volume of the optical system. In comparison to polymer-based DOEs, glass-based DOEs have many advantages such as higher strength, better chemical resistance, better environmental durability (especially under high temperature and/or UV exposure), and higher refraction index. However, glass-based DOEs have troubles of its own: it is extremely difficult and expensive to produce those diffractive patterns on glass. This study aimed to develop a faster and cheaper way of fabricating glass-based DOEs and other glass-based micro-optical components by Sol-Gel together with imprint techniques. Micro-structures of different sizes and shapes were duplicated on glass plates using sol-gel and imprint techniques under various forming conditions. The influence of pre-heat temperature, ways of depositing sol-gel and pressing force on the achievable profile accuracy were systematically investigated and compensated curves for generating micro-optical structures of minimized profile error were proposed in this research.
論文目次 目錄

誌謝 .................................... I
中文摘要.................................. III
英文摘要.................................. V
目錄 .................................... VI
圖目錄 .................................. IX
表目錄 .................................. XIV

第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究背景 2
1-3研究目的 3
第二章 文獻回顧與基礎理論 4
2-1繞射光學元件 4
2-2壓印技術 7
2-2-1熱壓成型奈米壓印 8
2-2-2紫外光固化成型壓印 9
2-2-3雷射輔助直接壓印 10
2-3壓印材料 11
2-3-1熱塑性材料 11
2-3-2光塑性材料 11
2-3-3溶膠-凝膠材料 11
2-4溶膠-凝膠成型技術 14
2-4-1溶膠-凝膠紫外光固化成型 15
2-4-2溶膠-凝膠雷射全像干涉成型 16
2-4-3溶膠-凝膠熱壓成型 17
第三章 研究方法與實驗設備 19
3-1壓印實驗 19
3-1-1實驗步驟 19
3-1-2壓印實驗之規劃與流程圖 20
3-2實驗材料與設備 21
3-2-1超音波震洗機 21
3-2-2無機膠 21
3-2-3載玻片 22
3-2-4注射針筒 23
3-2-5軟性微結構模具 23
3-2-6加熱器 26
3-3量測設備 28
3-3-1電子磅秤 28
3-3-2電子微量天秤 29
3-3-3紅外線測溫器 30
3-3-4光學顯微鏡 31
3-3-5掃描式電子顯微鏡 32
3-3-6雷射共軛焦顯微鏡 33
3-4實驗方法 33
3-4-1單一塗層壓印實驗 33
3-4-2多塗層壓印實驗 35
3-4-3閉模壓印實驗 36
第四章 研究結果與討論 38
4-1加熱器溫度實驗 38
4-1-1加熱器升溫實驗 38
4-1-2加熱器降溫實驗 39
4-2無機膠在不同溫度下加熱之實驗 40
4-3不同加壓荷重之壓印實驗 42
4-4不同實驗溫度之壓印實驗 56
4-5不同塗層數壓印實驗 69
4-6不同預熱時間與多次塗層壓印實驗 78
4-7閉模壓印實驗 87
4-8無機膠吸濕性實驗 95
第五章 結論 97
第六章 未來展望 99
參考文獻 100

圖目錄

圖1-1玻璃預型體 2
圖1-2照明專用LED矽膠透镜 3
圖2-1傳統光學透鏡與菲涅爾透鏡之比較 5
圖2-2繞射元件與傳統元件功能之比較 6
圖2-3熱壓成型奈米壓印 8
圖2-4紫外光固化成型壓印 9
圖2-5雷射輔助直接壓印 10
圖2-6溶膠-凝膠之變化過程 12
圖2-7溶膠-凝膠的形成及應用 13
圖2-8溶膠-凝膠光固化成型 15
圖2-9溶膠-凝膠雷射全息成型 16
圖2-10溶膠-凝膠熱壓成型 18
圖3-1壓印實驗規劃流程圖 20
圖3-2超音波震洗機 21
圖3-3無機膠 22
圖3-4載玻片 22
圖3-5注射針筒 23
圖3-6軟性模具 23
圖3-7不同模具的SEM圖 24
圖3-8小R模具之間距與高度 24
圖3-9大R模具之間距與高度 25
圖3-10V溝模具之間距、高度與角度 26
圖3-11加熱器 27
圖3-12加熱平台量測範圍 28
圖3-13加熱器溫度誤差曲線圖 28
圖3-14電子磅秤 29
圖3-15微量天秤 30
圖3-16紅外線測溫器 31
圖3-17光學顯微鏡 32
圖3-18掃描式電子顯微鏡 32
圖3-19雷射共軛焦顯微鏡 33
圖3-20壓印步驟示意圖 34
圖3-21多塗層壓印示意圖 35
圖3-22閉模壓印示意圖 36
圖3-23壓印實驗的溫度與荷重對時間關係圖 37
圖4-1加熱器升溫趨勢圖 39
圖4-2加熱器降溫趨勢圖 40
圖4-3無機膠在不同溫度下加熱之實驗前、後之重量比較圖 40
圖4-4無機膠在不同溫度下加熱之重量損失百分比 41
圖4-5無機膠升溫過快造成的破裂 42
圖4-6不同荷重之小R壓印成型的表面情況 43
圖4-7不同荷重之小R壓印成型的SEM圖 44
圖4-8不同荷重之大R壓印成型的表面情況 45
圖4-9不同荷重之大R壓印成型的SEM圖 46
圖4-10不同荷重之V溝壓印成型的壓印表面情況 46
圖4-11不同荷重之V溝壓印成型的SEM圖 47
圖4-12大R、小R之間距與荷重關係圖 48
圖4-13大V、小V之間距與荷重關係圖 48
圖4-14模具受力造成變形之示意圖 49
圖4-15大R、小R之間距收縮量 49
圖4-16大V、小V之間距收縮量 50
圖4-17大R、小R之高度與荷重關係圖 51
圖4-18大V、小V之高度與荷重關係圖 51
圖4-19大R、小R之高度收縮量 52
圖4-20大V、小V之高度收縮量 52
圖4-21各種模具的截面高度與角度示意圖 53
圖4-22不同荷重之小R成型截面高度 54
圖4-23不同荷重之大R成型截面高度 54
圖4-24不同荷重之小V成型角度 55
圖4-25不同荷重之大V成型角度 55
圖4-26壓印填充率與荷重關係圖 56
圖4-27不同加熱器溫度之小R壓印成型的表面情況 58
圖4-28不同加熱器溫度之小R壓印成型的SEM圖 59
圖4-29不同加熱器溫度之大R壓印成型的表面情況 59
圖4-30不同加熱器溫度之大R壓印成型的SEM圖 60
圖4-31不同加熱器溫度之V溝壓印成型的表面情況 61
圖4-32不同加熱器溫度之V溝壓印成型的SEM圖 61
圖4-33大R、小R之間距與溫度關係圖 62
圖4-34大V、小V之間距與溫度關係圖 62
圖4-35大R、小R之間距收縮量 63
圖4-36大V、小V之間距收縮量 63
圖4-37大R、小R之高度與溫度關係圖 64
圖4-38大V、小V模具之高度與溫度關係圖 64
圖4-39大、小R之高度收縮量 65
圖4-40大、小V之高度收縮量 65
圖4-41模具與成型結果的示意圖 66
圖4-42大V的誤差趨勢圖 66
圖4-43大V實際值與估計值比較圖 67
圖4-44小V實際值與估計值比較圖 67
圖4-45大V模具設計曲線圖 68
圖4-46小R實際值與估計值比較圖 68
圖4-47大R實際值與估計值比較圖 69
圖4-48增加塗層填補收縮之示意圖 70
圖4-49不同塗層數之小R壓印成型的SEM圖 71
圖4-50不同塗層數之大R壓印成型的SEM圖 72
圖4-51不同塗層數之V溝壓印成型的SEM圖 73
圖4-52不同塗層數的大R、小R之間距與荷重關係圖 73
圖4-53不同塗層數的大V、小V之間距與荷重關係圖 74
圖4-54不同塗層數的大R、小R之高度與荷重關係圖 74
圖4-55不同塗層數的大V、小V之高度與荷重關係圖 75
圖4-56最底塗層的固化程度較大之示意圖 75
圖4-57大R(1200g)、小R(900g)不同塗層數之間距收縮量 76
圖4-58大(1200g)、小V(1200g)不同塗層數之間距收縮量 76
圖4-59大R(1200g)、小R(900g)不同塗層數之高度收縮量 77
圖4-60大V(1200g)、小V(1200g)不同塗層數之高度收縮量 77
圖4-61田口分析均值主效應圖 80
圖4-62田口分析信噪比主效應圖 81
圖4-63不同預熱時間對多塗層之小R壓印成型的SEM圖 83
圖4-64不同預熱時間對多塗層之大R壓印成型的SEM圖 84
圖4-65不同預熱時間對多塗層之V溝壓印成型的SEM圖 84
圖4-66大R、小R之間距與塗層數關係圖 85
圖4-67大V、小V之間距與塗層數關係圖 85
圖4-68大R、小R之高度與塗層數關係圖 86
圖4-69大V、小V之高度與塗層數關係圖 86
圖4-70施加壓力造成無機膠被向外排開之示意圖 87
圖4-71閉模壓印之小R壓印成型的SEM圖 88
圖4-72閉模壓印之大R壓印成型的SEM圖 88
圖4-73閉模壓印之V溝壓印成型的SEM圖 89
圖4-74大R、小R的開模與閉模之間距關係圖 89
圖4-75大V、小V的開模與閉模之間距關係圖 90
圖4-76大R(1200g)、小R(900g)之開模與閉模高度關係圖 90
圖4-77大V(1200g)、小V(1200g)之開模與閉模高度關係圖 91
圖4-78大R、小R的各種壓印法之最大高度比較圖 91
圖4-79大V、小V的各種壓印法之最大高度比較圖 92
圖4-80不同壓印法之小R成型截面高度 92
圖4-81不同壓印法之大R成型截面高度 93
圖4-82不同壓印法之小V成型角度 93
圖4-83不同壓印法之大V成型角度 94
圖4-84各種壓印法成型的誤差量比較圖 94
圖4-85不同壓印法的誤差補償比較圖 95
圖4-86各種結構在泡水前、後的表面情況 96
圖4-87玻璃試片跑水前、後的重量變化比較圖 96 

表目錄

表2-1繞射光學元件與傳統光學元件之比較 4
表2-2溶膠-凝膠之結構比較 12
表2-3溶膠-凝膠法製程的優、缺點 14
表3-1載玻片的規格與厚度 22
表3-2加熱器之規格 27
表3-3電子磅秤之規格 29
表3-4電子微量天秤之規格 30
表3-5紅外線測溫器 31
表4-1以不同加壓荷重進行壓印之實驗參數 42
表4-2不同實驗溫度之壓印實驗參數 57
表4-3不同塗層數進行壓印之實驗參數 70
表4-4田口設計實驗之控制因子與水準數 78
表4-5田口設計之直交表與實驗結果 78
表4-6不同預熱時間對多次塗層影響之壓印實驗參數 82
表4-7閉模壓印實驗參數 87
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