中華大學碩士論文

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中華大學碩士論文

題目：高溫輔助氣壓成型法製作陣列玻璃透鏡之研究

The Study of High Temperature Gas Assisted Forming Process for the Fabrication of Arrayed Glass Lenses

系所別：機械與航太工程研究所學生姓名：M09508028 曹鈞泓指導教授：馬廣仁教授簡錫新教授

中華民國九十七年七月

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I

摘要

微陣列透鏡在光電領域有許多的應用。傳統精密玻璃製程太過昂貴，對於微陣列透鏡製作時，模具表面沾黏和玻璃成型體內殘留氣泡的問題不容易被克服。本研究發展新的製程，利用輔助氣體施壓成型製作陣列玻璃透鏡，藉此達到低成本，無表面缺陷且容易製造的優點。

本研究採用玻璃轉移溫度為580℃的硼矽酸鹽玻璃平板為實驗材

料，先在碳化鎢和不鏽鋼平板模具上製作陣列穿孔結構，將玻璃置於模具上，利用紅外線加熱在高溫下以氣體壓力強迫玻璃藉黏彈性變形往穿孔模穴流動，形成陣列玻璃透鏡。

較高的成形溫度、壓力與較長的成型時間，都有助於玻璃透鏡的

成長，使其具有較大的高度及較小的曲率半徑。在640℃，5Kg/cm²，

持溫2 分鐘已可成型出高度 330 m 的陣列玻璃透鏡。

關鍵字：陣列玻璃透鏡、氣壓輔助成型。

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II

ABSTRACT

Glass micro-lens arrays have numerous applications in the field of opto-electronics. Traditional precision glass molding process is too expensive and molding for arrayed glass lenses is difficult to avoid glass sticking and gas bubbles trapped into glass material. This study developed a new process to produce an arrayed glass micro-lenses by gas pressure assisted forming process, which is considered to have a great potential for the mass production of arrayed glass lenses with low cost, ease of manufacture and free of surface defects.

Borosilicate glass plates with Transition temperature (Tg) of 560℃

were used in this study. The WC/Co and stainless steel plates with arrayed through holes were employed as the molds. Glass plate was put on the mold and N2 gas was introduced into the closed chamber to allow gas pressure up to 5kg/cm₂. IR heating allows the glass plate to approach the soft point, and forces glass flows into the arrayed through holes to form the arrayed glass lenses by viscoelastic deformation.

A higher forming temperature, pressure and longer time duration tends to produce the arrayed lenses with a higher peak height and a smaller radius of curvature. The arrayed micro-lenses with peak height of 330 m can be obtained at the forming temperature of 640℃, gas pressure of 5 kg/cm²and time duration of 120 s.

Key words: arrayed glass lenses, gas assisted forming.

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III

致謝

由衷感謝指導老師馬廣仁教授與共同指導老師簡錫新教授這兩年來的指導與督促，讓我在課業與人際關係的處理上均受益良多。

而口試期間承蒙趙崇禮博士及劉道恕博士，對本文的悉心指正並惠賜許多寶貴的意見，使本文更臻完善。

於論文研究期間感謝學長信富、書瑋、建煌的悉心引導，同學錦坤、和政、元魁的幫忙與朋友韋廷、永軒、迺迪、中偉、奕淳的協助與支持。

最後要感謝親愛的父母多年來的培育與家人的支持，有了眾人的陪伴使我的求學生涯得以增添許多美好的回憶，僅以此篇表達感謝。

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IV

表目錄

表2.1 微透鏡製程比較表...16 表2.2 各種薄膜特性比較表...23 表4.1 模具物理性質表...57

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VII

圖目錄

圖2.1 各種積分陣列透鏡...4

圖2.2 陣列式光學積分器...5

圖2.3 複合光學繞射鏡片示意圖...6

圖2.4 SAMSUNG 科技設計的環紋透鏡...6

圖2.5 The Florida State University 發表的 Microlens Arrays 覆蓋在 CCD 感測元件上...7

圖2.6 美國 Axetris 公司的光纖陣列準直器...8

圖2.7 熱融式微型陣列透鏡...9

圖2.8 以噴印法堆積出微粒製作球面微透鏡...11

圖2.9 利用快刀伺服器系統完成的陣列結構...13

圖2.10 氣體壓力對透鏡表面造成之影響示意圖...14

圖2.11 標準模造製程循環圖...15

圖2.12 特殊專利模具...19

圖2.13 DLC 不同製程的 DLC 鍍膜之表面能與濕潤街觸角之比較圖...21

圖2.14 BN 薄膜與玻璃產生化學反應形成氣體揮發比較圖...22

圖2.15 不同溫度下玻璃真實應力與應變率之關係...25

圖2.16 使用真空吸引力為主要壓力之模具...27

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VIII

圖2.17 具有複雜之氣孔出入之模具組成示意圖...28

圖2.18 使用壓力差成型平板玻璃設備示意圖...29

圖3.1 未經裁切之載玻片...31

圖3.2 未研磨拋光的 WC 模具基材...32

圖3.3 石英經過雷射穿孔而成的陣列模具...32

圖3.4 304 不鏽鋼模具...33

圖3.5 實驗起始狀態...33

圖3.6 高溫氣壓輔助玻璃陣列透鏡成型系統外觀...34

圖3.7 紅外線加熱控制系統...35

圖3.8 英/公製壓力調整器...36

圖3.9 GDH-160 真空幫浦...36

圖3.11 石英耐壓耐溫上罩...37

圖3.12 石英耐壓耐溫下管...38

圖3.13 兩件式石英耐高壓高溫腔體...38

圖3.14 高解析場發射式電子顯微鏡...39

圖3.15 實驗參數曲線圖...40

圖4.1 氣壓輔助成形後的玻璃透鏡表面形貌...42

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IX

圖4.4 成形溫度對透鏡厚度之影響...43

圖4.5 成形溫度對透鏡曲率半徑之影響...44

圖4.12 氣壓壓力及成形溫度對玻璃透鏡成型高度之影響...48

圖4.13 氣壓壓力及成形溫度對玻璃透鏡曲率半徑之影響...49

圖4.14 (a)硼矽酸鹽玻璃溫度-黏製係數關係圖，(b)硼矽酸鹽玻璃體積 -溫度關係圖...50

圖4.15 溫度與持溫時間對陣列玻璃透鏡成型高度之影響...51

圖4.16 溫度與持溫時間對陣列玻璃透鏡曲率半徑之影響...51

圖4.17 (a) 620℃持溫 5 分鐘與 (b) 10 分鐘後之形貌，無明顯高度成長...52

圖4.18 成形溫度與不同模具對透鏡厚度之影響...53

圖4.19 成形時間與不同模具對透鏡厚度之影響...54

圖4.20 不鏽鋼基材(a)與碳化鎢基材(b)於 650℃之成型高度比

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X

較...55

圖4.21 不鏽鋼基材(a)與碳化鎢基材(b)於 630℃4 分鐘之比較...57

圖4.22 各種材料之熱膨脹係數與熱傳導係數之差異比較圖...56

圖4.23 不鏽鋼為基材之模具後之僅拋光之形貌...58

圖4.24 不鏽鋼為模具鍍上 Pt 膜後之形貌...58

圖4.25 碳化鎢模具拋光後之形貌...59

圖4.26 石英膜具拋光後之形貌...59

圖4.27 不鏽鋼模具鍍 Pt 膜實驗後之形貌...60

圖4.28 不鏽鋼未鍍膜實驗後之形貌...60

圖 4.29 (a)為使用石英模具進行成型後之玻璃試片，(b)為實驗過後沾黏的石英模具...61

圖4.30 碳化鎢模具實驗後之表面形貌...62

圖4.31 玻璃透鏡邊緣殘存之沾粘物...62

圖4.32 使用 EDX 分析成形後玻璃透鏡邊緣之沾粘物...63

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