微光學元件不僅應用於天文望遠鏡、相機及顯微鏡等各類光學儀器，在國防及民生 領域，有越來越多應用，例如液晶顯示器的背光模組、3D 裸視技術、光學量測儀器、
資訊存取與傳輸、醫療美容雷射、雷射光束武器、藍光 DVD 讀取頭以及衛星攝影機等 [2]。
近年來學者提出許多微透鏡陣列之製程方法，例如 Popovic 與 Hutley 分別於 1988 及 1990 使用再熔(reflow)法[3,4]，如圖 1，圖 1(a)顯示將鋁膜沈積在石英基版上，並在 其上製作15 μm 圓形孔洞，圖 1(b)將直徑 30 μm 光阻沈積在圓形孔洞上，圖 1(c)再將直 徑25 μm 高 12 μmTF-20 光阻沈積在其上，最後以 140 ℃溫度加熱，使光阻熔化形成微 透鏡陣列，如圖 1(d)。再熔法除了圓形光阻外，亦有學者提出使用矩形、六角形或是橢 圓形柱狀陣列來加熱形成微透鏡陣列[5-7]。
圖 1 再熔法製作微透鏡陣列[3]
Lee 等人於 2001 年利用體型微加工技術(bulk micromachining technology)[8]製作微
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透鏡陣列，矽基微透鏡直徑為10±55 μm，高度為 2.5±7.5 μm，焦長為 45±79 μm，製程 步驟示意圖以及微透鏡如圖 2。
圖 2 體型微加工技術製作微透鏡陣列[8]
Cox 等人在 2001 年使用微液滴(droplet)法製作微透鏡[9,10]，使用紫光(UV)固化膠 為材料，透過如圖 3 的微液滴法來成形微透鏡，實驗結果顯示成形 16,384 顆微透鏡，每 顆微透鏡直徑250 μm，矢高(sag) 60 μm。
圖 3 微液滴法製作微透鏡[9]
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Lee 等人在 2002 年使用 LIGA 技術製作微透鏡[11]，利用光蝕刻技術使 PMMA 材 料融化形成微透鏡，藉由控制 PMMA 材料尺寸，可形成直徑 30-1500 μm 範圍的微透鏡。
圖 4 LIGA 技術製作微透鏡[11]
Yao 等人利用灰階光罩法來製作微透鏡陣列，灰階光罩是具有不同光密度(Optical density)的光罩，利用不同的曝光密度造成蝕刻速率不同，以此製作微透鏡陣列，如圖 5。[12-14]
圖 5 灰階光罩法製作微透鏡[13]
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Park 等人於 1999 年使用紫外光成形膠法製作微透鏡[15]，透過控制初始紫外光固 化膠體的尺寸，可輕易的控制微透鏡曲率，且微透鏡間距亦可調配，最後完成半徑 81 μm 以及矢高40 μm 之微透鏡，如圖 6。
圖 6 紫外光成形法製作微透鏡[15]
亦有學者使用電子束，在 SiO2/TiO2溶膠-凝膠混合的材料，其針對不同曝光劑量下 會有不同膨脹體積的特性，以三維立體掃瞄電子束的方式來製造微透鏡陣列，如圖 7 所 示，藉由不同的掃瞄路徑可以製造出一般球面或者是複雜的繞射元件結構。[16,17]
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圖 7 電子束加工法製作微透鏡陣列[17]
除了上述介紹的半導體製程外，雷射微加工技術亦可製作微透鏡，雷射微加工技術 可對任何可吸收雷射波長之材料加工，且為非接觸式加工，可快速的製作任意微結構圖 形並具有高深寬比。1997 年 Wakaki 等人提出利用波長為 10.6 μm 之 CO2雷射[18]，直 接加工玻璃基板(Corning 7059)。當玻璃基材表面溫度上升時，玻璃開始軟化變形，直到 上升至工作點溫度時(1160 °C for Corning 7059)，雷射照射周圍區域，因玻璃融化所產生 之表面張力效應，開始出現圓形凹洞，進而中間形成微透鏡結構。研究中發現雷射照射 時間直接影響透鏡尺寸。由實驗數據得知在相同功率、光斑大小以及雷射光束尺寸下，
CO2雷射照射時間越長可得到尺寸越大的微透鏡，如圖 8 所示。
圖 8 微透鏡陣列之橫截面 3D 輪廓[18]
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此外 2010 年 Nieto[19]等人利用 Nd:YVO4（摻釹釩酸釔）雷射，其波長為 1064 nm，
並搭配振鏡系統直接於鈉玻璃表面進行加工。可低成本且快速的製作出透鏡尺寸為直徑 10 μm 與高 0.8 μm，焦距長 117.67±3.82 μm 及 126.33±3.64 μm 的正方形與三角形的微 透鏡陣列，如圖 9 所示。
圖 9 共軛焦顯微鏡觀察(a)正方形(b)三角形之微透鏡陣列[19]
雷射拖拉加工法是利用光罩以投影方式直接加工基材，並配合光罩拖拉方式製作不 同配置的微透鏡陣列，例如角度旋轉 90 度拖拉兩次，即可加工方型微透鏡陣列，以角 度 60 度拖拉三次，則可加工六角型微透鏡陣列，如圖 10。[20]
圖 10 雷射拖拉法加工微透鏡[20]
滾輪成形(roll to roll)法也可用來量產微透鏡陣列，將製作好微透鏡陣列的滾輪一邊 滾過 UV 膠一邊做 UV 光硬化成形，如此可快速的製作微透鏡陣列塑膠薄膜，如圖 11。
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圖 11 滾輪成形微透鏡陣列[21]
Chen 於 2010 年利用超精密鑽石車削技術，使用慢刀伺服功能加工晶圓級光學所需 對稱排列的微透鏡陣列，加工出形狀精度及表面粗糙度分別小於 0.2 μm 及 5 nm，具有 非球面的百分之一百填充率的微透鏡陣列，每顆微透鏡形狀精度的均勻度小於 0.05 μm，
如圖 12。[22]
圖 12 超精密鑽石車削技術加工微透鏡[22]
表 1 為微透鏡陣列製程比較表，可看出各製程方法的優劣差異性，所述製程方法，
多為使用高分子材料製作微透鏡。欲製作精密玻璃透鏡陣列，目前可利用雷射微加工技
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2007年日本Takahashi等人[24]利用玻璃碳(GC, Glassy Carbon)作為模仁材料，利用
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切割加工與機械加工的方式，於模仁上製作出不同深寬比的棋盤狀與金字塔型之3D微結 構，利用Pyrex玻璃進行熱壓。Takahashi認為濕式蝕刻的加工解析度太低以及表面精度 太差，乾式蝕刻速度太慢且成本過高，所以才提出熱壓技術來製作玻璃微光學元件解決 上述之問題，如圖13所示。此外Takahashi認為光學塑膠材料雖然輕且成本低，但光學玻 璃材料較適合高溫環境的應用、化學穩定度較高以及對於UV光線吸收低等優點，所以 比塑膠材料更適合應用於光學微機電以及生醫流體機電上。
圖 13 (a)GC 模仁微結構 (b)熱壓後玻璃[24]
2005年Firestone與Yi [25]提出利用邊角不同形狀來進行擠壓玻璃成形微透鏡與微 透鏡陣列。針對BK7、K-PG325與鈉玻璃(soda lime glass)，模仁材料選用碳化鎢、316不 銹鋼、715 銅鎳合金、鋁合金。探討模仁邊角為垂直、導圓角、導直角後進行壓印的參 數，討論應力、應變率、總應變的差別。結果指出成形溫度、成形速度、冷卻時間、模 仁形狀設計，均會影響成形時的幾何形狀。並發現過大的應力容易造成玻璃擠壓過度而 變形，如圖14所示，其微孔直徑為3.4 mm。
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圖 14 玻璃模造示意圖 (a)不同邊角之影響 (b)微透鏡成形[25]
2009年Hsu [26]等人利用鑽石切削技術在電解鎳模仁上製作出平行的V溝陣列，並 結合玻璃模造技術於FCD1(Hoya)與SF2(Ohara)玻璃上熱壓出V溝陣列。研究結果顯示成 形溫度高於Tg點(glass transition temperature) 35–55℃時有最佳的成形精度，此外也建議 應注意脫模溫度與使用脫模劑，以防止玻璃損壞或沾黏在模仁上，如圖15所示。
圖 15 鎳板上之連續水平陣列(a)上視圖(b)側視圖[26]
玻璃模造技術除了成形上述的微結構之外，亦可針對球面或非球面透鏡成形，Yan 利用有限元素法分析玻璃材料在模造製程中的熱影響[27]，並透過實驗驗證模擬結果，
如圖16，所使用的玻璃材料是L-BAL42。
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圖 16 玻璃模造技術成形之鏡片[27]
Cha等人於2011年利用玻璃模造技術成形非球面透鏡[28,29]，其鏡片表面粗糙度Ra 為4.2 nm，玻璃材料使用Ohara公司的L-BSL7，模仁材料為碳化鎢，所成形鏡片如圖17。
圖 17 非球面透鏡[29]
在玻璃模造製程中，模仁多為高硬度材料，因此絕大多數採用精密鑽石輪磨加工技 術來製作模仁，如Saeki等人在2001年利用鑽石輪磨技術製作碳化鎢模仁[30]，並介紹不 同路徑的加工方法，如圖18。
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圖 18 鑽石輪磨加工模仁[30]
因鑽石輪磨技術製作模仁，需要冗長的加工時間與昂貴成本，因此本論文除了使用 鑽石輪磨技術製作模仁外，亦使用雷射以及線切割放電加工法來製作模仁，放電加工法 可以加工導電材料，而不受限於材料的機械性質，因此廣泛被使用在模具加工產業。相 關研究如2011年Shah等人利用田口實驗法，分析線切割放電加工法對碳化鎢的加工品質 影響，例如材料移除率與表面粗糙度，實驗架構如圖19[31]。
圖 19 線切割放電加工技術加工碳化鎢[31]
針對模仁加工方面，亦可利用雷射進行加工，例如Trtica等人於2001年利用CO2雷 射加工AISI 316以及AISI M2不銹鋼，並比較其加工特性[32]，不同參數加工下的結果如 圖20。2007年楊宏智等人利用飛秒雷射與Nd:YVO4雷射對不銹鋼材料進行加工，並探討 其差異性[33]。經由實驗結果指出，隨著飛秒雷射脈衝數量增加，不銹鋼板的蝕刻深度 也隨之增加、剝蝕速率降低且原始材料表面之粗糙度對加工品質並無顯著影響。但於 Nd:YVO4雷射實驗中發現，雖雷射脈衝數量增加，不銹鋼板的蝕刻深度亦隨之增加。但 在相同之雷射平均功率下，較高的雷射脈衝重複頻率，能達到較佳的表面加工精度。
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圖 20 不同雷射加工參數下的不銹鋼表面[32]
雷射加工金屬材料會產生再鑄層，因此利用電解拋光技術來消除，電解拋光相關文 獻如 1982 年 Faust[34]指出電解拋光過程中在工件表面會產生黏稠層，使表面凹點黏稠 層較厚，電阻較高溶解速度較慢，凸點黏稠層較薄，電阻較低溶解速度相對較快，並符 合歐姆定律產生整平的效果。拋光後，黏稠層底部會形成緻密的鈍化層，拋光後的表面 潔淨、平滑且光反射均勻。
1966 年 Hopenfeld[35]等人實驗證明，金屬之析出量，取決於電極之間各點的電流 密度(current density)。導電度隨著流速增加而變大，直到臨界值。此外於電解拋光系統 中加入擾動系統，產生強制對流使電解液擾動，加快質傳作用，使覆蓋於電極上之氣泡 脫離。可保持電流穩定與孔蝕減少，提高電解拋光品質。
在 1996 年時 Raman[36]進行不同金屬與合金的電解拋光，探討拋光過程中包括電 解液溫度、黏度、濃度、工件表面粗糙度、攪拌速度、拋光時間及電極距離等變數影響。
由結果得知電解液溫度升高時電阻值會下降，拋光所需電壓亦隨之下降。電解液攪拌可 增加工件陽極與陰極之間離子的移動量，且在適當與穩定之攪動速度下可改善拋光的品 質。在一定的電壓下，若增加電解液濃度，電流密度會提高，但電解液黏度則與電流密 度成反比。
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