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。

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.

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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10.吳漢強，”立體顯示用之繞射光學元件設計”，雲林科技大學光電工程研究所，2008
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