菲涅耳透鏡(Fresnel Lens)是在 1819 年由法國物理學家菲涅耳(Augustin-JeanFresnel) 所設計，與傳統透鏡比較，菲涅耳透鏡具有焦距短、光通量高、重量輕、使用材料少、
容易設計、可作為大型聚光裝置且具有良好的聚光效果等優點[47]，圖 143 是具有相同 功能的一般透鏡與菲涅耳透鏡比較，可看出菲涅耳透鏡體積遠小於一般透鏡。
近年來因太陽能發電產業興起，而太陽能發電方法之一即為集光型太陽能電池，利 用晶片上覆蓋聚光型鏡片，使太陽光聚焦在晶片上，如此可減少佔太陽能電池中成本較 高的晶片面積，在這應用上，菲涅耳透鏡極適合擔任聚光型鏡片的角色，因其可大幅減 少模組的體積。
但是因太陽能電池所使用的鏡片需長時間暴露在陽光下，所以需有較高的抗熱變形 性，故使用玻璃材料較塑膠材料適合，然而因菲涅耳透鏡具有微結構以及精密曲面，不 管是模仁或是直接加工菲涅耳透鏡，在製作上都極其困難，所以本研究以先前模造微結 構以及精密曲面的經驗與技術資料，在本節實驗中進行菲涅耳透鏡的製程研究。
圖 143 菲涅耳透鏡[47]
4.3.1 實驗方法與步驟
玻璃模造實驗流程可參照圖 110，先利用模擬軟體建立菲涅耳透鏡的表面輪廓，因 菲涅耳透鏡的輪廓，若使用超精密鑽石輪磨設備搭配一般外形的鑽石砂輪，將會有加工
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上的幾何干涉問題，因此，砂輪需修整如圖 144 的外形方可加工。本研究所設計的菲涅 耳透鏡是等間距結構，底面設計為平面，圖 145 是加工後的模仁，模仁材料是碳化鎢，
表面鍍製貴金屬膜(Pt-Ir)，模仁外徑為 15 mm。圖 146 是利用雷射共軛焦顯微鏡掃瞄模 仁的立體輪廓。
圖 144 特製鑽石砂輪外形示意圖[71]
圖 145 菲涅耳透鏡之模仁
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圖 146 菲涅耳透鏡模仁輪廓
本節實驗所使用的玻璃材料是 K-CSK120，其轉化點溫度 489 °C 以及降伏點溫度 525 °C。依據本論文前述章節的經驗與分析結果，因本節菲涅耳透鏡的外徑為 15 mm，
遠大於上節非球面透鏡的外徑 4.5 mm，因體積較大，故設定模造實驗溫度為 535 °C，
因所使用模造設備最低驅動力為 200 牛頓，為避免過大力量造成模仁及預形體受損，所 以模造力量設定為 400 牛頓，保溫時間則設定為 60 秒。圖 147 是菲涅耳透鏡所使用的 預形體，外形為扁平狀，雙面為曲面輪廓，重量為 1.53 ± 0.05 克。
圖 147 菲涅耳透鏡預形體
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圖 148 是菲涅耳透鏡的模造製程示意圖，將預形體曲率半徑較小的一面朝向菲涅耳 結構模仁，因曲率半徑較小，所以製程中，預形體中心部分會先成形，隨著模仁逐漸下 壓，預形體依序由中心往外成形，最後形成菲涅耳透鏡。若預形體曲率設計過大，造成 模造製程初步階段中，模仁與預形體的接觸面積過大，而非上述的依序往外成形，將會 使得菲涅耳透鏡微結構極易碎裂。
圖 148 菲涅耳透鏡模造製程示意圖
4.3.2 結果與討論
在模造實驗溫度 535 °C 時，檢視模造結果，鏡片表面幾乎沒有形成菲涅耳結構，
且整體外形幾無變化，如圖 149，可推斷此時的模造溫度尚不足以讓玻璃材料軟化，因 此逐步提高模造溫度並觀察模造後鏡片狀況，來分析 K-CSK120 製作菲涅耳透鏡的最佳 模造溫度。
玻璃軟化程度隨著模造溫度升高而上升，因此在適合模造的溫度範圍內，每個溫度 點皆有其上限的模造力量，超過模造力量的容許值，鏡片就會破裂，如圖 150，此時可 選擇調高模造溫度或是降低模造力量，來避免模造力量超過容許值。若觀察到菲涅耳透 鏡結構尚未完全成形，則調高模造溫度，若結構已成形，則調低模造力量，以此來降低 鏡片破裂的機率。
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圖 149 模造溫度不足結果
圖 150 玻璃破裂
若發生玻璃沾黏現象，多是模造溫度過高造成的結果，因溫度過高，玻璃材料中的 成分與膜層起反應，造成玻璃材料沾黏在模仁上，如圖 151 所示，若屬輕微沾黏，尚可 以清潔，若無法將沾黏玻璃清除，則需將模仁表面重新處理，甚至需再次經過超精密輪 磨加工後再鍍膜。圖 152 是透鏡黏著在套筒上，導因於模造溫度過高且模造力量過大。
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圖 151 模仁沾黏
圖 152 玻璃沾黏現象
菲涅耳透鏡不易製作的原因除了模仁結構的加工製程複雜外，因菲涅耳透鏡包含整 體的曲面輪廓以及上方的微結構圖形，因此在模造製程中，需要顧及曲面的成形性，亦 得留意微結構成形性。如圖 153 顯示，外形曲面輪廓大致已成形，但其上的微結構卻破 裂，推測其原因為使用的降溫速率 26.7 °C/min (30 L/min 之冷卻氮氣流量)過快所導致，
因此調整降溫速率為 18.5 °C/min (15 L/min 之冷卻氮氣流量)，則可大幅減少微結構破裂 的機率。
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圖 153 微結構破裂
本論文以填充率來評估菲涅耳透鏡的成形品質，填充率是指菲涅耳透鏡溝槽深度與 模仁高度的比值，因本實驗中，模仁設計是溝槽等間距的方式，亦即愈外圍溝槽深度愈 深，且如圖 148 所示，菲涅耳透鏡模造製程是由中心向兩側成形，因此，靠近中心溝槽 的填充率會大於外圍溝槽的填充率，故選用外側溝槽的填充率來表示成形品質。圖 154 是針對 K-CSK120 玻璃材料之模造溫度及模造力量與填充率的關係圖，其保溫時間為 180 s 以及降溫速率為 18.5 ℃/min）可看出在溫度 560 °C 時，填充率皆約為 99 %，隨 著模造溫度降低，或是模造力量降低，填充率亦隨之大幅降低。
圖 154 模造溫度及模造力量與填充率關係圖
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透過以上的實驗分析，獲得最佳的模造參數為：
模造溫度：560 °C 模造力量：300 牛頓 保溫時間：180 秒
降溫速率：15 L/min (18.5 °C/min)
模造製程歷程如圖 155 所示，模造製程週期為 32 分鐘。圖 156 是利用最佳參數所 完成之菲涅耳玻璃透鏡，其外徑為 15 mm。圖 157 則為其雷射共軛焦顯微鏡掃瞄影像。
圖 155 菲涅耳透鏡模造歷程
圖 156 菲涅耳玻璃透鏡
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圖 157 菲涅耳透鏡雷射共軛焦顯微鏡影像
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2. 隨著玻璃材料不同，模造溫度或保溫時間等參數也不相同，本文探討 N-FK5、
鈉玻璃(Soda lime glass)、N-BK7、K-VC79 以及 K-CSK120 等玻璃材料的成形特 性，並藉由實驗結果建立模造製程相關參數圖表，並獲得以下成果：
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