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。

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.

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

參考文獻
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