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系統識別號 U0002-1508201112122200
中文論文名稱 模造玻璃繞射光學元件之模擬分析及相關製程研究
英文論文名稱 Simulation and Experimental Analysis of Molding Processes of Glass Diffractive Optical Elements
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 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 陳育琨
研究生英文姓名 Yu-Kun Chen
電子信箱 698370151@s98.tku.edu.tw
學號 698370151
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2011-06-16
論文頁數 139頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-左培倫
委員-陳盈同
委員-馬廣仁
委員-周文成
委員-趙崇禮
中文關鍵字 繞射光學元件  高聚光型太陽能電池  聚光透鏡  玻璃模造  模擬分析 
英文關鍵字 Diffractive Optical Elements  High Concentration Photovoltaic  Condenser Lens  Glass Molding  Simulation 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 相較於傳統透鏡,繞射光學元件具有輕、薄化之優勢,故廣泛被使用在高聚光型太陽能電池及LED照明的聚光透鏡上。 目前聚光透鏡大部分以塑膠材料為主;塑膠材料雖有成形性佳、質輕及價格低之優勢,卻也同時有會因日照造成材料老化,致使折射率等光學性質改變的缺點。玻璃材料雖沒有日照老化的問題,但其成形性相對塑膠材料較困難、質較重且成本也較高。繞射元件可大幅減低玻璃透鏡之重量而玻璃模造方式成形則可有效降低成本;本論文即探討模造玻璃繞射光學元件之相關製程。研究中除進行模造玻璃繞射元件實驗外,並輔以模擬軟體分析不同模具設計及預形體形狀對於整個模造過程之成形狀況及成形應力。模擬軟體必須先進行模擬分析/模造實驗之比對,之後藉由模擬軟體模擬各模具形狀、模造參數及預形體形狀等對模造成形玻璃繞射光學元件造成之影響。研究結果顯示模具形狀、模造參數及預形體形狀對成形結果均有極大之影響;而經由模擬分析可有效掌握各種成形參數組合之成形狀況/應力及結果趨勢並能提升模造實驗之成功率。本研究除成功模造出玻璃繞射光學元件並透過實驗及模擬尺寸量測,兩者比對誤差量約15μm左右。
英文摘要 In comparison to conventional refractive lens, diffractive lens has the advantages of being thinner and lighter, and is widely used in optical systems such as lighting and photovoltaic systems. The big majority of the concentrators used for concentrated photovoltaic (CPV) energy today are made of plastics, for its superb formability, light weight and cheap price. However, plastics do have the setback of aging and degradation when subject to ultra-violet exposure. Glass, on the other hand, being heavier and more expensive than plastics, can sustain the UV light without any trouble. To get around these problems, diffractive lens and glass molding process (GMP) are selected in this study to reduce the weight and cut the cost. Simulations together with molding experiments were conducted to analyze the stress/strain conditions and the obtained dimensional accuracy under various molding parameters. Results show that parameters such as mold designs, molding conditions and pre-form designs all have profound influence on the achievable dimensional accuracy and the obtained maximum stress/strain. Simulation can effectively improve the outcome of molding experiments by supplying the correlation between molding parameters and resulting stress/product shape. Glass DOEs of 14.8 mm in diameter and 3.36 mm in thickness are successfully produced in this research and the difference between the simulated and the molded DOE is around 15μm.
論文目次 目錄
致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 V
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 3
1-3研究動機與目的 5
第二章 文獻回顧與理論基礎 7
2-1太陽能電池 7
2-1-1太陽能電池種類 8
2-1-2太陽能聚光模組 10
2-2繞射光學元件 11
2-2-1繞射光學元件種類 13
2-2-2繞射光學元件模擬 15
2-2-3繞射光學元件之製造方法 16
2-2-3-1以反應璃子蝕刻法製造繞射光學元件 16
2-2-3-2以超精密車削加工法製作繞射光學元件 18
2-2-3-3繞射光學元件成品之模擬 19
2-3精密玻璃模造技術 20
2-3-1玻璃模造加工製程 23
2-4光學玻璃材料之特性 25
2-4-1光學玻璃之光學性質 28
2-4-1-1折射率 29
2-4-1-2色散率 30
2-4-1-3玻璃之反射、吸收以及透光率 31
2-4-2玻璃之機械性質 32
2-4-3玻璃之物理與化學性質 33
2-4-4玻璃之熱性質 35
2-4-4-1各玻璃溫度點定義 36
2-5光學玻璃的組成與熱壓模造之關係 37
2-6玻璃模造加工原理 40
2-7模仁材料特性及製作 43
2-8模仁表面保護層披覆之目的與特性 44
2-9有限元素法模擬分析 53
第三章 研究方法與實驗設備 54
3-1實驗設計 54
3-2實驗設備 55
3-2-1玻璃面板成形機 55
3-2-1-1冷卻系統 60
3-2-2量測儀器設備 61
3-2-3表面清潔儀器 62
3-3-4繪圖及模擬分析軟體 63
3-3實驗材料與製作 64
3-4平板玻璃尺寸大小設計及光學玻璃材料 65
3-5實驗流程圖 67
3-6實驗步驟 68
第四章 結果與討論 69
4-1平板玻璃熱壓實驗 70
4-1-1實驗參數設定 70
4-1-2試片尺寸量測 71
4-1-3模擬分析前之假設條件 72
4-1-4軟體模擬分析 73
4-1-5模擬分析軟體溫度升高狀況 75
4-1-6平板玻璃尺寸與壓力關係 78
4.2模造平板玻璃繞射光學元件之模擬分析及探討 82
4-2-1模擬參數設定 82
4-2-2平板玻璃繞射光學元件之模擬 83
4-2-3設定邊界條件 85
4-2-4平面DOE模具設計(一) 86
4-2-5平面DOE模具設計(二) 90
4-3模造球面玻璃繞射光學元件之模擬分析及探討 92
4-3-1模擬參數設定 92
4-3-2球面DOE模具設計 93
4-3-3球面玻璃繞射光學元件之模擬 94
4-4模造非球面玻璃繞射光學元件之模擬分析及探討 95
4-4-1模擬參數設定 95
4-4-2 Constant Pitch 繞射光學元件之模擬 97
4-5溫度變化對於預形體成形應力之影響 99
4-5-1模擬參數設定 99
4-5-2溫度變化對於預形體成形應力之探討分析 100
4-6模造非球面玻璃繞射光學元件實驗及模擬探討 102
4-6-1模造非球面玻璃繞射光學元件之實驗參數 102
4-6-2模造光學玻璃K-CSK120之實驗及模擬分析 105
4-6-2-1模造光學玻璃K-CSK120之實驗 105
4-6-2-2模造光學玻璃K-CSK120之模擬分析 107
4-6-2-3非球面玻璃繞射光學元件之成品尺寸量測 110
4-6-2-4非球面玻璃繞射光學元件之成品精度量測 112
第五章 結論與未來展望 114
5-1結論 114
5-2未來展望 115
參考文獻 116
附錄 122

圖目錄
圖1- 1再生能源及非再生能源分類 1
圖1- 2聚光型太陽能電池 2
圖1- 3 Toshiba GMP-211玻璃模造儀器示意圖 4
圖2- 1太陽能光譜圖 7
圖2- 2太陽能種類圖 8
圖2- 3聚光型太陽能發電系統示意圖 10
圖2- 4拱型聚焦菲涅爾透鏡架構圖 14
圖2- 5球型式菲涅爾透鏡成品 14
圖2- 6平板式菲涅爾透鏡模擬情形 15
圖2- 7拱型式菲涅爾透鏡模擬情形 15
圖2- 8球型菲涅爾透鏡模擬情形 16
圖2- 9 DOE蝕刻至矽晶圓 17
圖2- 10菲涅爾透鏡蝕刻至SiO2 18
圖2- 11透鏡之非球面加工示意圖 19
圖2- 12加工後繞射光學元件模具 19
圖2- 13角度偏移後的影響結果 20
圖2- 14非球面玻璃透鏡成品 21
圖2- 15球狀預形體 23
圖2- 16各種玻璃形狀預形體 24
圖2- 17平板玻璃預形體 24
圖2- 18 SCHOTT光學玻璃之分類 26
圖2- 19折射示意圖 29
圖2- 20 SCHOTT公司光學玻璃之Abbe Number分佈 31
圖2- 21玻璃材料 L-BAL42 體積變形曲線圖 36
圖2- 22結晶二氧化矽空間結 38
圖2- 23顯示網狀修飾劑對光學玻璃之影響 39
圖2- 24玻璃模造示意圖 41
圖2- 25溫度-壓力-模具位置關係圖 42
圖2- 26脆裂性刮痕產生示意圖 47
圖2- 27 模具導電示意圖 52
圖2- 28交流電壓頻率圖 52
圖2- 29碳化鎢材料模擬持溫(a)120秒(b)180秒(c)220秒 53
圖3- 1玻璃面板成形機(GP-0165) 55
圖3- 2玻璃面板成形機立體圖 56
圖3- 3試片置入下模具示意圖 58
圖3- 4通氮氣達到接近低含氧環境 58
圖3- 5以Deform 3D模擬模造過程示意圖-施壓前 59
圖3- 6以Deform 3D模擬模造過程示意圖-施壓後 59
圖3- 7冷卻後上模具提模後示意圖 59
圖3- 8冷卻系統-冰水機(Chiller) 60
圖3- 9工具顯微鏡(Profile Projector) 61
圖3- 10非球面輪廓儀(Form Talysurf) 62
圖3- 11超音波清潔機(Ultrasonic Cleaner) 62
圖3- 12 Pro-E繪製平板玻璃預形體 63
圖3- 13 Deform 3D自動建立網格 63
圖3- 14 LAS80與Sodium Aluminosilicate Glass模造溫度比較圖 64
圖3- 15平板玻璃尺寸設計 65
圖3- 16 10×10mm平板玻璃圖 66
圖3- 17 10×15mm平板玻璃圖 66
圖3- 18 10×20mm平板玻璃圖 66
圖4- 1實驗升溫及壓力曲線圖 70
圖4- 2 尺寸為10×10mm 71
圖4- 3 尺寸為10×15mm 71
圖4- 4 尺寸為10×20mm 71
圖4- 5 Deform 3D應力分佈圖 74
圖4- 6 Pro-E另存STL檔所產生位置誤差 75
圖4- 7溫度&壓力關係圖 76
圖4- 8溫度為630℃時成形壓力為470N 76
圖4- 9溫度為650℃時成形壓力為320N 77
圖4- 10溫度為670℃時成形壓力為202N 77
圖4- 11 630℃-X(短邊)方向變化量 78
圖4- 12 630℃-Y(長邊)方向變化量 79
圖4- 13 X/Y變化量比值 79
圖4- 14玻璃材料尺寸為10×10mm變形速度分佈圖 81
圖4- 15玻璃材料尺寸為10×15mm變形速度分佈圖 81
圖4- 16玻璃材料尺寸為10×20mm變形速度分佈圖 81
圖4- 17平面DOE模具2D工程圖 83
圖4- 18模造平板繞射光學元件模擬前後 83
圖4- 19衝程量兩倍模擬結果 84
圖4- 20材料座標方向示意圖 85
圖4- 21邊界條件設定限制移動示意圖 85
圖4- 22設定邊界條件模擬後成品 86
圖4- 23模造平板繞射光學元件前後示意圖 86
圖4- 24 DOE模具尺寸示意圖 87
圖4- 25材料填充不足 87
圖4- 26材料溢料情況 88
圖4- 27模具設計(一)模擬前後 88
圖4- 28玻璃材料溢料圖 89
圖4- 29材料四邊中心區域溢料狀況 89
圖4- 30導致材料溢料原因 90
圖4- 31平面DOE模具設計(二) 2D工程圖 90
圖4- 32模具設計(二)上下模具組合 91
圖4- 33模具設計(二)模擬後完成品 91
圖4- 34上模具球面DOE模具2D工程圖 93
圖4- 35下模具2D工程圖 93
圖4- 36球面預形體2D工程圖 94
圖4- 37球面DOE成品網格排列圖 94
圖4- 38各種玻璃形狀預形體 95
圖4- 39 Constant Pitch DOE模具2D工程圖 96
圖4- 40各類預形體最大成形應力值 97
圖4- 41球體預形體成形應力分佈圖 98
圖4- 42球面預形體成形應力分佈圖 98
圖4- 43非球面預形體成形應力分佈圖 98
圖4- 44平均成形應力統計資料總表 101
圖4- 45外圍鋸齒成形應力統計資料總表 101
圖4- 46非球面繞射光學元件模具圖 103
圖4- 47非球面繞射光學元件尺寸示意圖 103
圖4- 48非球面繞射光學元件模具表面粗糙度 104
圖4- 49非球面繞射光學元件模具形狀精度 104
圖4- 50光學玻璃K-CSK120模造前 105
圖4- 51光學玻璃K-CSK120模造後 105
圖4- 52非球面繞射光學元件成品 106
圖4- 53非球面繞射光學元件成品投影圖 106
圖4- 54模擬模造後成品圖 109
圖4- 55模擬模造後成品成形應力分佈圖 109
圖4- 56繞射光學元件成品外形尺寸圖 110
圖4- 57繞射光學元件成品鋸齒深度圖 111
圖4- 58預形體表面粗糙度量測 112
圖4- 59繞射光學元件成品表面粗糙度量測 113
圖4- 60繞射光學元件成品形狀精度量測 113

表目錄
表1- 1光學玻璃與光學塑膠之特性比較 6
表2- 1台灣與先進國家太陽能電池技術水準比 9
表2- 2繞射光學元件與傳統光學元件之比較 12
表2- 3繞射元件與傳統元件功能之比較 12
表2- 4機械研磨拋光與玻璃模造加工比較 21
表2- 5主要光學玻璃型號區分 27
表2- 6光學玻璃網狀修飾物優劣比較 39
表2- 7玻璃模造模仁鍍膜特性比較 49
表3- 1玻璃面板成形機(GP-0165)規格資料 57
表3- 2實驗參數表 68
表4- 1玻璃模造製程參數設定 70
表4- 2實驗及模擬分析結果尺寸之比較 74
表4- 3實驗及模擬分析成形壓力之比較 74
表4- 4試片尺寸及成形壓力參數 78
表4- 5各項模擬參數設定 82
表4- 6各項模擬參數設定 92
表4- 7模擬參數設定及Constant Pitch DOE資料 95
表4- 8預形體形狀模擬前 96
表4- 9 Constant Pitch DOE各齒數座標值 96
表4- 10模擬參數設定及Constant Pitch DOE資料 99
表4- 11實驗參數表 102
表4- 12各項模擬參數設定 107
表4- 13模造光學玻璃K-CSK120模擬過程 108
表4- 14繞射光學元件成品外形尺寸比較 110
表4- 15繞射光學元件成品鋸齒深度尺寸比較 111


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論文使用權限
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