本論文旨在探討精密玻璃模造技術應用於光學元件之研究，規劃探討微結構成形以 及精密曲面成形，在微結構成形方面，包含微柱狀透鏡陣列成形、雙面微透鏡陣列成形 以及微結構陣列成形，而在精密曲面成形方面，包含平面積體光學元件成形以及非球面 透鏡成形，最後分析具有微結構之精密曲面的菲涅耳透鏡成形製程研究，論文架構如圖 21，本論文預計達成以下結果：
1. 探討模仁製程技術，包括精密鑽石輪磨技術、雷射加工技術、線切割放電加工 技術以及電解拋光技術，藉由不同的製程技術，探討多樣化的模仁製程以及多 樣化的模仁結構。
2. 利用不同模仁材料，建立相關製程資料，包括碳化鎢、碳化矽以及不銹鋼材料。
3. 探討不同玻璃材料以及不同尺寸和結構的成形特性，建立模造溫度、模造力量 以及模造製程時間等參數資料。
4. 探討不同輪廓，包含微結構陣列以及精密曲面，分析不同輪廓的玻璃模造製程 參數差異。
5. 希望完成微結構陣列玻璃元件以及精密曲面玻璃元件。
16
圖 21 論文架構
17
18 研究或小型量產上，如Toshiba 207 HV之模造設備，其為一模多穴單站式系統，可全自 動控制玻璃模造製程，也可依成形裝置位置或馬達荷重來控制加壓行程，系統操控彈性 大，適合多種領域之應用研究。
圖25為玻璃模造製程流程圖，首先將玻璃預形體放在模造設備內之模仁上，預形體 有許多形狀，端視玻璃元件外型來設計，通常分為平板、球狀、棒狀或是水滴狀等，適
超精密加工法 (Precision Machining)
• 鑽石車削(Diamond Turning)
• 鑽石輪磨(Diamond Grinding) 模仁壓製法
(Mold Pressing)
• 玻璃模造(Glass Molding)
• 玻璃熱壓(Glass Pressing) 研拋法
(Lapping & Polishing)
• 研拋(Lapping & Polishing)
• 電腦數值控制研拋(CNC Lapping & Polishing)
19
20
圖 26 高溫玻璃模造機
表 2 高溫玻璃模造機規格
機型 GMP-207HV
玻璃模造最高溫度 1500 ℃
加熱方式 紅外線燈管
冷卻方式 腔體充氮氣
玻璃模造最大加壓力 20 kN
加壓力軸驅動方式 AC 伺服馬達和滾珠螺桿
加壓力軸最大行程 90 mm
加壓力軸位移檢測精度 1 μm
可成形玻璃最大外徑 100mm(800℃), 60mm(1500℃)
模造時抽真空 可, ≦1.0 Pa
玻璃模造製程依照合模方式，可分為開放式與封閉式兩種模式，如圖27所示，開放 式模造製程中的玻璃預形體及模仁，增加氮氣為介質的熱傳加熱方式，因此熱傳效果較 封閉式佳，如圖28，所以適合用來成形微結構，例如透鏡陣列等，但開放式模造製程的
21
缺點為無法定位，若要製作精密曲面光學元件，考量鏡片偏心量的要求，則需採用封閉 式模造製程，且封閉式模造製程可保壓並確保玻璃材料不產生溢料現象，故本論文中第 三章微結構成形利用開放式模造製程，而第四章精密曲面成形則選用封閉式模造製程。
由圖中亦可看出上下模仁各有一溫度感測器，可在製程中即時監控模仁溫度。
圖 27 開放式與封閉式模造方法示意圖
圖 28 加熱方式示意圖
玻璃模造製程常見的參數有模造溫度、模造力量、保溫時間、模造方式、模造時間、
腔體環境以及降溫速率，其說明如下：
模造溫度：模造系統加熱至所設定的模造溫度時，開始進行熱壓程序，模造溫度是 製程中最重要的參數，通常根據玻璃的轉化點溫度(Tg)或降伏點溫度 (At)，並考慮玻璃元件尺寸與外形輪廓來選擇，溫度不足，玻璃元件無 法成形，溫度過高，玻璃預形體容易與模仁上之膜層產生沾黏現象。
模造力量：模造力量是指在模造製程中，當達到設定的模造溫度時，模造設備主軸
22 用碳化矽、碳化鎢(WC)或玻璃碳(glassy Carbon, GC)。本實驗除了使用碳化鎢做為模仁 材料外，因雷射加工技術對金屬材料加工將會產生再鑄層，因此亦選擇碳化矽作為模仁
23
24
25
表 6 光學玻璃與光學高分子材料[46]
Material Property Optical Glass Optical Polymer Refractive Index 1.5~1.9 1.3~1.7 Abbe Number 20~ above 65 25~55
Birefringence No Yes
Transmittance coefficient 85～95 Above 90 Spectra Range 370～above 1500 nm 400～1100nm Glass Transition Temperature 380～570℃ 70～130℃
Linear Expansion Index 70～130 × 10-7 More than glass 10 times Specific Weight 2.2～7.3 1.0～1.5
表 7 光學鏡片材料特性比較表[47] number, νd)與折射率(Refractive index, nd)來進行分類並加以編號。主要分為冠冕玻璃 (Crown Glass)與火石玻璃(Flint Glass)。冠冕玻璃(nd<1.60，νd>50)具有較低的折射率與 較高的阿貝數，代表色散程度較小，火石玻璃(nd>1.60，νd<50)具有較高的折射係數但 阿貝數較小，代表色散的程度較大。2007年7月歐盟環保法令開始實施，限制光學玻璃
26
原料中不能含有鉛(Pb)、鎘(Cd)、砷(As)等重金屬，並於玻璃編號前加一英文代號表示，
譬如Schott的未含管制之重金屬FK5玻璃編號為N-FK5。此外，不管那一種玻璃原料，皆 有一國際編碼，其編碼若為501564.252則代表折射率nd為1.501、阿貝數νd為56.4以及玻 璃密度為2.52。
圖 29 Schott 公司玻璃毛胚品種圖[48]
玻璃之光學性質主要取決於化學成分的組成與熔融時的熱處理程序。其中玻璃的冷 卻速率在轉化溫度範圍時，可影響玻璃一定範圍內的折射係數，一般而言越慢的冷卻速 率可得到越高的折射率，如公式(1)，玻璃模造製程歷經昇溫與降溫，因此模造溫度以及 降溫速率是否對玻璃鏡片折射率產生影響，也是在製程中需要考慮的。圖30所示為不同 光學玻璃的退火速率(冷卻速率)對折射率之影響，參考冷卻速率值為7 K/h。
𝑛𝑑(ℎ𝑥) = 𝑛𝑑(ℎ0) + 𝑚𝑛𝑑 ∙ log(ℎℎ𝑥
0) (1)
27
其中h0為原始的冷卻速率、hx為改變後的冷卻速率、mnd為各種類玻璃的折射率冷卻 係數。
圖 30 冷卻速率對不同光學玻璃折射率之影響[49]
在玻璃熱壓實驗中，溫度改變與玻璃黏度的變化之間的關係相當重要，圖31為不同 的玻璃材料其溫度與黏滯係數的關係，可明顯發現當溫度上升時，其黏滯係數將會下降。
隨著不同玻璃的種類會有不同的工作溫度範圍，其適合成形的黏度亦不相同。一般在玻 璃成形加工中，玻璃黏度控制在工作點(working point)與軟化點(softening point)之間。
28
圖 31 玻璃溫度對黏滯係數之關係[50]
以下整理出本論文所使用的玻璃材料特性，包括 Schott 公司的 N-FK5 與 N-BK7，
以及 Sumita 公司的 K-VC79 與 K-CSK120，另外亦使用鈉玻璃(Soda lime glass)做為模造 微結構實驗的試片。
29
2.1.2.1. N-FK5
N-FK5 為 Schott 公司專為玻璃模造製程所開發的玻璃材料，玻璃轉化點(Tg)為 466
℃，玻璃模造專用材料特點為轉化點溫度較低，且不易與模仁產生沾黏反應，材料特性 表如圖 32。本實驗利用 N-FK5 做為微柱狀透鏡陣列材料。
圖 32 N-FK5 材料特性[48]
30
2.1.2.2. N-BK7
N-BK7 是極為常見的玻璃材料，其轉化點(Tg)為 557 ℃，材料特性表如圖 33。本 實驗利用 N-BK7 做為平面積體微光學元件材料。
圖 33 N-BK7 材料特性[48]
31
2.1.2.3. K-VC79
K-VC79 玻璃轉化點溫度(Tg)為 516 ℃，材料特性表如圖 34。本實驗利用 K-VC79 做為非球面透鏡材料。
圖 34 K-VC79 材料特性[51]
32
2.1.2.4. K-CSK120
K-CSK120 玻璃轉化點溫度(Tg)為 489 ℃，材料特性表如圖 35，本實驗利用 K-CSK120 做為菲涅耳透鏡材料。
圖 35 K-CSK120 材料特性[51]
33
34
圖 36 預形體外形[54]
表 9 預形體應用範圍列表[48,51,55]
Target product Recommend-
able form Advantages Disadvantages
Sphere lens
Gob Cost containment
Short delivery time
Low weight accuracy
Limited choices
Preformed ball
Precision weight
Possibility of edge molding
High effect for a small diameter product
Costliness
Poor availability for a large diameter or various formed product
Asphere lens
Gob Cost containment
Short delivery time
Low weight accuracy
Limited choices
Preformed ball
Precision weight
Possibility of edge molding
High effect for a small diameter product
Costliness
Poor availability for a large diameter or various formed product
Sphere lens
Possibility of self-procurement if polishing machine provided
Precision weight
High effect for a big diameter product
Poor availability for a small diameter product
Micro structure Disc Cylinder High effect to replicate
micro-pattern
Vacuum molding process required
35
2.2 雷射加工技術
雷射具有高單色性、高方向性、高時間相干性、高空間相干性以及高能量密度等優 點。依照雷射能源供給能量的形式可分為連續式(Continue wave laser)與脈衝式(Pulsed laser)。雷射微加工已廣泛運用在現代工業上。其可對任何可吸收雷射波長之材料加工，
雷射加工為非接觸式加工，可快速的製作任意微結構圖形且具有高深寬比。依據不同材 料對不同雷射波長吸收的不同而選用不同雷射，並且可藉由不同聚焦長度的透鏡將雷射 光束聚焦成不同能量密度(w/cm2)的光斑(spot size)作為不同用途，如退火、劃片、光刻、
清洗等應用。
奈秒雷射加工時，材料吸收雷射光子之後，因能量轉移到晶格上造成晶格震動而 生熱，導致熱熔解、熱汽化、熱應力等改變顯微組織的熱影響產生，並透過熱擴散機制 將能量傳遞到加工區域周圍，熱擴散長度與雷射脈衝寬度平方根成正比。對具有較高熱 傳導係數的金屬材料而言，將產生較大的熱影響區(Heat-affected zone, HAZ)，大小約1 μm。且因受限於熱影響區的大小，奈秒雷射加工不易製作小於1 μm 的形狀特徵，本研 究即為此機制。
本研究使用波長為355 nm之UV雷射系統AVIA 355-14 (COHERENT Inc.)，此系統是 以二極體激發Nd:YVO4的固態Q開關雷射，以提供高功率、高重複頻率的UV雷射光源，
其雷射光束移動方式使用振鏡式掃描。圖37為雷射架構示意圖，雷射經過兩個反射鏡之 後進入偏振系統，在模仁上加工微結構。表10為雷射系統規格表。
36
圖 37 UV 雷射加工架構
表 10 雷射系統規格表
Items Values
Wavelength 355 nm
Pulse repetition rate range ≧ 100 kHz Average power @ 100 kHz ＞ 10 W
Pulse width @ 100 kHz ≦ 40 ns
Spatial mode TEM00
Beam quality factor, M2 ≦1.3
雷射加工製程常見的參數有雷射脈衝重複頻率、雷射掃瞄速度、雷射掃瞄路徑以及 掃瞄次數，其說明如下：
雷射脈衝重複頻率：其定義為雷射每秒可以作用次數，而材料所接收到的單發雷射 能量決定於脈衝重複頻率，重複頻率越高則雷射功率隨之下降。
雷射掃瞄速度：雷射掃瞄速度快，可以縮短加工時間，節省加工成本，但雷射速度 過快，每個單位面積接收到的雷射能量就愈小，因此加工量會降低，過快 的加工速度，甚至會超過雷射系統中的振鏡運作速度極限，將會導致雷射
37
光斑重疊率不足，造成掃瞄輪廓不連續。
掃瞄次數：雷射掃瞄次數愈多，加工時間將愈長，材料移除量也會愈多，然而針對 金屬材料，因會產生再鑄層，當加工次數達到一定的程度時（因材料而異）， 因再鑄層累積，材料移除量將會趨緩。
雷射掃瞄路徑：本論文所使用之雷射系統可選擇四種掃瞄路徑，分別是Line、Cross、
Bidirectional以及Bidirectional + Cross，其示意圖如圖38所示，依照不同的 加工輪廓及加工表面需求來選擇適當的掃瞄路徑。
Bidirectional以及Bidirectional + Cross，其示意圖如圖38所示，依照不同的 加工輪廓及加工表面需求來選擇適當的掃瞄路徑。