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系統識別號 U0002-2807200919111600
中文論文名稱 精密鑽石車削複合光學元件之研究
英文論文名稱 Study on Precision Diamond Turning of Hybrid Optical Components
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 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 林永凉
研究生英文姓名 Yong-Liang Lin
學號 696371284
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-07
論文頁數 82頁
口試委員 指導教授-趙崇禮
委員-周文成
委員-趙崇禮
委員-楊詔中
委員-劉道恕
委員-趙崇偉
中文關鍵字 複合光學元件  菲涅爾光學元件  鑽石車削 
英文關鍵字 Hybrid optical components  Fresnel optical components  Diamond turning 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 光學元件不論在尖端科研或日常生活皆受到廣泛的應用;而為因應輕、薄、短、小、精密化之發展趨勢,光學元件已從傳統之球面進化為非球面、進而繞射光學元件、複合光學元件。與球面相比較,非球面有矯正像差且提高光學系統精度的作用,而繞射光學元件可以進一步簡化光學系統使之更輕薄。複合光學元件為一新興技術,它結合了折射光學與繞射光學,因為它具高繞射效率、設計參數選擇性且容易做到微型,故為一非常具有潛力的技術。本研究經由分析繞射光學元件、複合光學元件之光學設計參數,針對此一光學元件的形貌利用C語言規劃畫出合適且精準的鑽石車削刀具路徑,並且探討利用半R刀具加工時加工路徑所發生的干涉問題,且對干涉的偵測及避免提出對策。經由實際切削驗證,結果證明本研究開發出之繞射光學元件加工程式能產生正確的加工刀具路徑及有效縮短加工此類光學元件之規劃及加工時間。
英文摘要 Optical components are widely used in industry nowadays. Modern optics often introduces the aspheric surface of optical components. The aspheric surface has the function of rectifying aberration by comparing to the spherical surface. Additionally, it also simplifies the system as well as rises in the precision of optical system. In this thesis, the hybrid optical components based on basic diffraction theorem have the advantages of small size, light weight, flexibility and ease of duplication. The design of the hybrid optical components, which comprising a conventional refractive surface and a surface relief diffractive structure, is a new technique. The advantage of hybrid optical components, which with high diffraction efficiency and various design parameters, make it become a powerful technique today.
  This research designed the optical components profile by C programming from the Fresnel optical components design parameters. The accurate of diamond turning tool path can be determined from the optical components profile. The interference questions of half R cutting tool and how to avoid the interference will be discussed in order to approach the originally designs as precisely as possible. The method can save the manufacturing time of optical components.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 V
圖目錄 IX
表目錄 XIV
符號表 XV
第一章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 研究背景 4
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 繞射光學元件( Diffractive optical element;DOE ) 7
2-2 單晶鑽石刀具 9
2-2-1 鑽石刀具的磨耗形式 13
2-2-2 降低鑽石刀具磨耗的相關研究 14
2-3 超精密加工 14
2-3-1 精密鑽石車削 15
2-3-2 鑽石切削的材料 16
2-4 加工條件的影響 16
2-4-1切削速度 17
2-4-2進給率 17
2-4-3 切削深度 18
2-4-4切削距離 18
2-5 繞射光學鏡面微結構加工 19
2-5-1複合光學鏡面微結構加工方式 19
2-5-2無旋轉鑽石切削刀方法加工微溝槽 21
2-6 刀具路徑干涉探討 22
2-6-1根據切削刀具外型考量干涉問題 22
2-6-2刀具補償 24
2-6-3 NC刀具路徑轉換 28
2-6-4 刀具路徑規劃方法 29
第三章 實驗設備與實驗步驟 31
3-1 實驗目的 31
3-2 實驗規劃 31
3-3 實驗設備及方法 33
3-3-1 程式設計功能介紹 33
3-3-2 工件非球面參數設定 36
3-3-3 加工工件與設備 37
3-3-4 加工方法 42
第四章 研究分析與討論 46
4-1 Fresnel lens工件形貌程式設計原理 46
4-1-1 等寬Fresnel光學元件工件形貌程式設計 46
4-1-2 等高Fresnel光學元件工件形貌程式設計 48
4-1-3 Hybrid Fresnel工件形貌程式設計 51
4-2 刀具與工件干涉之分析 52
4-2-1 加工工件溝槽頂端過切之分析 52
4-2-2 加工溝槽非球面之干涉分析 54
4-2-3 溝槽非球面之干涉點偵測理論 56
4-3根據溝槽底部殘留之誤差高度建議半R刀尺寸選用 57
4-4 Fresnel lens刀具路徑程式設計 58
4-4-1 等寬Fresnel光學元件刀具路徑程式設計 59
4-4-2 等高Fresnel光學元件刀具路徑程式設計 64
4-4-3 Hybrid Fresnel光學元件刀具路徑程式設計 69
4-4-4 點資料誤差探討 71
4-5 加工後工件表面形貌觀察 71
第五章 結論 78
參考文獻 80

圖目錄
圖1-1 全球光電市場趨勢 3
圖1-2 台灣光學元件產業之產值結構 4
圖2-1 繞射元件與傳統元件功能之比較 8
圖2-2 圓弧刃型 11
圖2-3 直線刃型 12
圖2-4 三角刃型 12
圖2-5 進給率大小所得的表面粗糙度示意圖 18
圖2-6 CNC3軸控制方式 20
圖2-7 CNC2軸控制方式 20
圖2-8 透鏡之非球面加工示意圖 21
圖2-9 超精密加工刀具設定 22
圖2-10 繞射元件加工示意圖 23
圖2-11 CG Command結構表示圖 29
圖3-1 實驗規劃流程圖 32
圖3-2 程式設定工件半徑示意圖 33
圖3-3 程式設定點資料間距示意圖 33
圖3-4 程式設定Pitch寬示意圖 34
圖3-5 程式設定刀具半徑度示意圖 34
圖3-6 修改非球面方程式高階參數示意圖 35
圖3-7 輸出刀具路徑點資料檔案夾示意圖 35
圖3-8 加工材料銅棒材 38
圖3-9 Contour Fine Tooling單晶鑽石半R刀(I) 38
圖3-10 Contour Fine Tooling單晶鑽石半R刀(II) 39
圖3-11 半R刀幾何形狀示意圖 39
圖3-12 實驗用之夾持具 40
圖3-13 Precitech Freeform 705XG超精密加工機 41
圖3-14 加工機示意圖 41
圖3-15 線性馬達與液靜壓導軌 42
圖3-16 程式碼檔頭設定 42
圖3-17 工件實際切削情形 43
圖3-18 共軛焦顯微鏡 44
圖3-19 掃描式電子顯微鏡 44
圖3-20 加工後工件拋光前處裡示意圖 45
圖4-1 非球面曲線圖 46
圖4-2 等寬Fresnel光學元件Pitch寬0.2mm工件形貌圖 47
圖4-3 等寬Fresnel光學元件Pitch寬0.5mm工件形貌圖 47
圖4-4 等寬Fresnel光學元件形貌點資料比較圖 48
圖4-5 非球面曲線圖 49
圖4-6 等高Fresnel光學元件Pitch高0.2mm工件形貌圖 49
圖4-7 等高Fresnel光學元件Pitch高0.1mm工件形貌圖 50
圖4-8 等高Fresnel光學元件形貌點資料比較圖 50
圖4-9 Hybrid Fresnel lens 工件形貌圖 51
圖4-10 程式與Diffsys 產出Hybrid Fresnel lens點資料比較圖 52
圖4-11 刀具加工到溝槽頂端示意圖 53
圖4-12 刀具過切示意圖 53
圖4-13 提刀示意圖 54
圖4-14 刀具中心點對刀至工件溝槽頂端示意圖 54
圖4-15 溝槽非球面干涉示意圖 55
圖4-16 干涉點示意圖 55
圖4-17刀具加工溝槽非球面示意圖 55
圖4-18 干涉點偵測示意圖 56
圖4-19 溝槽產生殘留的誤差高度示意圖 57
圖4-20 槽非球面上任一點法線與溝槽垂直面上相交示意圖 58
圖4-21 等寬Fresnel光學元件刀具路徑程式設計流程圖 60
圖4-22 刀具與工件幾何關係示意圖 61
圖4-23 等寬Fresnel光學元件刀具路徑曲線圖 62
圖4-24 等寬工件形貌點資料曲線與刀具路徑點資料曲線比較 63
圖4-25 等寬刀具路徑點資料與Diffsys刀具路徑點資料比較圖 63
圖4-26 等高Fresnel光學元件刀具路徑程式設計流程圖 65
圖4-27 等高Fresnel光學元件刀具路徑曲線圖 66
圖4-28 等高工件形貌點資料曲線與刀具路徑點資料曲線比較圖 67
圖4-29 等高刀具路徑點資料與Diffsys刀具路徑點資料比較圖 67
圖4-30 等高殘留最大誤差高度值 69
圗4-31 Hybrid Fresnel刀具路徑曲線圖 70
圗4-32 Hybrid Fresnel刀具路徑與工件形貌曲線圖 70
圖4-33 等寬Fresnel光學元件表面形貌( 30) 72
圗4-34 等寬Fresnel光學元件3D構圖( 10) 72
圖4-35等寬Fresnel光學元件( 30) 73
圖4-36 等寬Fresnel光學元件( 10) 73
圖4-37 等寬Fresnel光學元件剖面微結構( 100) 74
圖4-38 等寬Fresnel光學元件剖面微結構( 300) 74
圖4-39 等高Fresnel光學元表面形貌( 30) 75
圖4-40 等高Fresnel光學元3D結構圖( 10) 75
圖4-41等高Fresnel光學元件( 10) 75
圖4-42 等高Fresnel光學元件剖面微結構( 35) 76
圖4-43 等高Fresnel光學元件剖面微結構( 35) 76
圖4-44等高Fresnel光學元件剖面微結構( 100) 77


表目錄
表1-1 微光學元件各種應用 2
表2-1 繞射光學元件與傳統光學元件之比較 8
表3-1 工件非球面參數規格 36
表3-2 加工工件規格參數表 37
表3-3 銅基本性質表 37
表3-3工件切削參數 43
表4-1 NC加工碼指令 59
表4-2 等寬程式點資料與Diffsys點資料比對表 64
表4-3 等高程式點資料與Diffsys點資料比對表 68
表4-4 等寬Fresnel光學元件寬度與高度 73
表4-5等高Fresnel光學元件高度與寬度 76

參考文獻 參考文獻
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論文使用權限
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