中華大學碩士論文

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中華大學碩士論文

題目：以穿孔模具模造平凸玻璃透鏡之研究

The Study of Molding Plano-convex Glass Lens with A Through-hole Mold

系所別：機械工程學系碩士班

學生姓名： M09608039 黃立廷

指導教授：馬廣仁博士

共同指導教授：簡錫新博士

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中文摘要

平凸透鏡在許多光學系統中是不可或缺的元件。以傳統的研磨及拋光可以製造出精密的平凸透鏡，但其成本高昂且不易量產化。此研究目的在利用一穿孔之含鈷碳化鎢平板做為模具，經過玻璃模造的過程將玻璃預形體壓製成平凸透鏡。本研究將探討溫度、壓力及持壓時間對表面及結構產生之影響。

平凸透鏡表面形貌可藉由模造參數加以控制。模造過程中較低的溫度會侷限玻璃材料往兩側流動，有利於平凸透鏡之維持與玻璃預形體相同之曲率半徑。在低於臨界溫度下進行模造容易導致玻璃破裂或在鏡片表面產生明顯的壓印痕跡。較高的模造溫度有利於玻璃材料向外及下方孔穴流動，有利生成曲率半徑較小及尺寸較大之鏡片，並可避免鏡片表面出現缺陷及壓印痕跡。

關鍵字：平凸透鏡、光學元件、玻璃模造。

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Abstract

The plano-convex lenses are the essential components for many optical systems. The plano-convex glass lenses can be produced by traditional grinding and polishing precisely; however, it is very expensive and not suitable for mass production. This study aims to fabricate the plano-convex lens by glass molding process using a through-hole WC/Co plate as the mold and a glass ball as the preform. The effects of temperature, applied load and duration on the surface profile of plano-convex lenses were investigated.

The glass molding at a lower temperature will confine the glass flowing outwards which favors the molded plano-convex lenses with the same curvature as the glass preform. The molding temperature below a critical temperature leads to cracks and apparent surface marks on the molded glass lenses. A higher molding temperature favors glass material flowing outwards and downwards, which results in the molded lens with a smaller curvature and bigger size. The surface defects including cracks and pressing marks can be avoided. The surface profile of molded plano-convex lenses can be well controlled by the molding conditions.

Key words: plano-convex lens, optical components, glass molding

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致謝

在這兩年碩士班的求學過程中，首先我要由衷的感謝指導教授馬廣仁博士以及共同指導簡錫新博士，兩位老師悉心的指導與教誨

讓我不只在學業上獲得幫助，更在處事中也獲益良多，在此謹致上最誠摯的謝意。口試期間承蒙口試委員淡江大學趙崇禮博士及台灣科技大學陳炤彰博士的指教及建議，使本論文更加充實，學生於此萬分感謝。

研究期間，感謝學長雲鵬、志燁、建煌、Drawin、書瑋、泓鈞、

錦坤、和政、元魁及鈞泓的幫助，使我在研究過程中遇到問題都可以順利解決，同時感謝一同奮鬥的夥伴國丞、建超、東佑、麟凱、易穎陪我渡過歡樂及艱難的時刻，另外也感謝學弟文彥、緒之、約里給我許多協助，有你們的陪伴讓實驗室充滿朝氣與活力。

最後，感謝我敬愛的父母、女友及關心我的朋友，有你們的支持與照顧得以順利完成學業，僅以此本論文獻給你們，希望能與你們分享我的喜悅。

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目錄

中文摘要... I 英文摘要...II 致謝...III 目錄... IV 表目錄... VII 圖目錄...VIII

第一章前言...1

第二章文獻回顧 ...2

2.1 光學鏡片之製造...2

2.2 光學玻璃材料...5

2.2.1 玻璃預形體...7

2.2.2 玻璃預形體之精度要求...9

2.3 模造製程設定參數對成品之影響 ...11

2.4 改善模造結果之方法...21

2.5 模具材料之選用...28

2.6 玻璃模造技術之進展...30

第三章實驗方法 ...33

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3.2 實驗規劃...35

3.3 實驗設備...36

3.3.1 加熱系統...36

3.3.2 上下模具...37

3.3.3 研磨系統...38

3.3.4 系統組合圖...38

3.3.5 實驗檢測系統...39

3.3.6 控制系統...39

3.3.7 量測系統...40

3.4 實驗步驟...41

3.4.1 模具前處理...41

3.4.2 實驗參數設定...43

3.4.3 冷卻階段及結果觀察...43

第四章結果與討論 ...44

4.1 模造溫度對透鏡成形結果之影響 ...44

4.1.1 模具溫度對鏡片厚度及直徑之影響 ...45

4.1.2 模具溫度對鏡片光學面曲率半徑之影響 ...50

4.2 模造壓力對透鏡成形結果之影響 ...56

4.2.1 下壓壓力對鏡片厚度及直徑之影響 ...57

(7)

4.2.2 下壓壓力對鏡片光學面曲率半徑之影響 ...62

4.3 模造持壓時間對透鏡成形結果之影響 ...64

4.3.1 持壓時間對鏡片厚度及直徑之影響 ...65

4.3.2 持壓時間對鏡片光學面曲率半徑之影響 ...70

4.4 鏡片成品之光學量測...72

第五章結論...74

第六章參考文獻 ...75

(8)

表目錄

表2.1 非球面玻璃透鏡技術製造技術比較 ...3

表2.2 軟化溫度為 325℃之光學玻璃 ...6

表2.3 Konica Minolta 改良之光學玻璃 ...7

表2.4 退火對外形之影響...9

表2.5 Hoya 製作 Blank 的品質 ...10

表2.6 預形體均質等級...10

表2.7 壓造品的加工公差...12

表2.8 兩種生產方式與優缺點比較...14

表2.9 (a)兩階段施壓 ...18

表2.9 (b)製造過程 ...18

表2.10 熱壓模仁和玻璃球之間相對黏滯係數 ...25

表2.11 WC 與 AC 之材料比較...29

表3.1 K-CD45 機械性質...42

(9)

圖目錄

圖2.1 非球面透鏡製程比較...2

圖2.2 Schott 以研磨方式製造之非球面透鏡 ...4

圖2.3 精密模造之非球面透鏡...4

圖2.4 滴落法改善方法...8

圖2.5 Matsushita、Sumita 光學公司於 1997 年發表之機台 ...9

圖2.6 成品尺寸與收縮量...11

圖2.7 壓造時間與外徑尺寸的關係...12

圖2.8 退火溫度對折射率的影響...13

圖2.9 玻璃預形體承受應力、模造位移點時間關係圖 ...15

圖2.10 BK7 玻璃應力應變關係圖 ...15

圖2.11 模擬數據與實驗數據之比較...16

圖2.12 (a)降溫後玻璃透鏡曲度變化情形 (b)冷卻到 200℃下脫模後透鏡承受殘留應力變化的分佈情況 (c)冷卻到 20 ℃室溫脫模後透鏡承受應力變化的分佈情況...17

圖2.13 製程示意圖...18

圖2.14 成品表面粗糙度...19

圖2.15 改善裂紋及壓痕之鏡片...20

(10)

圖2.17 模具表面鍍層...21

圖2.18 冷卻水通道之設計與塗佈貴金屬層 ...22

圖2.19 (a)預熱玻璃預形體之模具 (b)置入預熱後玻璃預形體開始進行模造示意圖...23

圖2.20 玻璃的溫度與熱膨脹量的特性曲線 ...26

圖2.21 二段加壓成形法原理示意圖...27

圖2.22 經二段加壓成形後成形效果...27

圖2.23 使用玻璃材料模具進行模造...28

圖2.24 Kodak 模造玻璃鏡片模具...30

圖2.25 Kodak 模造玻璃鏡片模具設計圖...31

圖2.26 Hoya 研發迴轉式連續形流程示意圖...31

圖2.27 Matsushita 連續模造機 ...32

圖3.1 模造參數(540℃、壓力 40kg、持壓 15 秒)...34

圖3.2 模造參數(550℃、壓力 40kg、持壓 20 秒)...34

圖3.3 實驗示意圖...35

圖3.4 加熱系統...36

圖3.5 (a)不鏽鋼模具及碳化矽模具(b)穿孔後碳化鎢 ...37

圖3.6 球式研磨機...38

圖3.7 系統組合圖...38

(11)

圖3.8 掃描式電子顯微鏡...39

圖3.9 溫度控制器...39

圖3.10 光學量測系統...40

圖4.1 530℃成形透鏡外觀及表面形貌圖 ...45

圖4.4 壓力 30kg 時，成形溫度對透鏡厚度之影響 ...47

圖4.5 壓力 30kg 持壓 25 秒時，成形溫度對透鏡形貌之影響 (a)530℃(b)540℃(c) 550 ...47

圖4.6 壓力 40kg 時，成形溫度對透鏡厚度之影響 ...48

圖4.7 壓力 30kg 時，成形溫度對透鏡直徑之影響 ...49

圖4.8 壓力 30kg 持壓 10 秒時，成形溫度對透鏡形貌之影響 (a)530℃(b)540℃(c)550℃ ...49

圖4.9 壓力 40kg 時，成形溫度對透鏡直徑之影響 ...50

圖4.10 530℃成形曲率觀察圖...51

圖4.11 540℃成形曲率觀察圖...51

圖4.12 550℃成形曲率觀察圖...52

圖4.13 壓力 30kg 時，成形溫度對透鏡曲率半徑之影響 ....53

(12)

圖4.14 壓力 30kg 持壓 15 秒時，成形溫度對透鏡形貌之影響

(a)530℃(b)540℃(c)550℃ ...53

圖4.15 壓力 40 kg 時，成形溫度對透鏡曲率半徑之影響 ...54

圖4.16 530℃變形示意圖...54

圖4.17 540℃變形示意圖...55

圖4.18 550℃變形示意圖...55

圖4.19 在壓力 30kg 持壓 10 秒後成形，透鏡之形貌(a)530℃ (b)540℃(c)550℃...55

圖4.20 溫度 540℃壓力 30kg 壓製之透鏡表面，並無裂紋產生...56

圖4.21 溫度 540℃壓力 40kg 壓製之透鏡表面，產生裂紋 .57 圖4.22 溫度 530℃時，壓力對透鏡厚度之影響 ...58

圖4.23 溫度 530℃持壓 10 秒時，壓力對透鏡形貌之影響 (a)壓力 30kg(b)壓力 40kg ...58

圖4.24 溫度 540℃時，壓力對透鏡厚度之影響 ...59

圖4.25 溫度 550℃時，壓力對透鏡厚度之影響 ...59

圖4.26 溫度 530℃時，壓力對透鏡直徑之影響 ...60

(13)

圖4.30 溫度 530℃時，壓力對透鏡曲率半徑之影響 ...62

圖4.34 溫度 530℃時，持壓時間對透鏡厚度之影響 ...65

圖4.37 溫度 550℃壓力 30kg，持壓時間對透鏡形貌之影響 (a)持壓 10 秒(b)持壓 15 秒(c)持壓 20 秒(d)持壓 25 秒 ..67

圖4.38 溫度 530℃時，持壓時間對透鏡直徑之影響 ...68

圖4.42 溫度 530℃時，持壓時間對透鏡曲率半徑之影響 ...70

(14)

圖4.45 溫度 550℃時，持壓時間對透鏡曲率半徑之影響 ...72 圖4.46 透鏡之焦點...72 圖4.47 透鏡焦距之模擬圖...73

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第一章前言

在許多光電產品中光學鏡片是最具關鍵性的零組件，在以前產品性能較差及尺寸較大時內部使用的光學鏡片可以塑膠材料製造，其優點是變形量比玻璃大，可以做較大尺寸的光學鏡片，其次在重量和價格上也比玻璃來得輕來得便宜。但玻璃材料具有更佳的穿透率及光學性質使得光電產品性能得以提升，所以發展玻璃模造技術還是有其必要性。

此類光學元件中又以非球面透鏡最為重要，因能夠消除像差，此外若光學成像需要兩三片以上的球面透鏡去作成像的功能，但是可用一片的非球面透鏡就達成同樣的功能，進而減少系統的重量和鏡片的數目。但是由於非球面透鏡以往使用研磨加工的方式生產，但此方法耗費時間，而透過玻璃模造技術就有機會縮短時間及大量製造高精密度的光學鏡片。

由於模造精密玻璃鏡片之機具非常昂貴，而應用於照明設備、聚光透鏡等較不需極高精度的鏡片若使用此種生產方式較不經濟，所以本研究藉由較簡易之開放式模具進行平凸透鏡的模造，希望以此方法發展更低成本及更簡易的模造系統，研究中之控制參數有壓製時間、

壓力大小及模仁的溫度，探討參數對玻璃透鏡成形之厚度與形貌的影

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第二章文獻回顧

2.1 光學鏡片之製造

以玻璃材料製造非球面鏡片主要分為精密研磨以及模造成形兩種，但精密研磨與模造成形相比之下，模造成形可以有效縮短製程如圖2.1[1]，此兩種製造方法之優缺點比較如表 2.1 所示。

圖 2.1 非球面透鏡製程比較[1]

(17)

精密研削 玻璃模造

尺寸精度 高高

可靠度 差佳

加工時程

量產單一球面鏡或非球面玻璃鏡片時，只能靠多部機台一片一片加工，無法縮短時程，耗費大量時間，且成品良率低、經濟效益差。

初期需調整模造參數與選擇適當模具鍍膜，WC、SiC 模具的機械研拋加工會比玻璃研拋來的困難，模具加工時程亦會延長。若一旦解決上述問題，即可開始大量生產球面與非球面鏡，整體製造時程會較短，生產效率也會提昇。

製程技術

隨研拋技術成熟，研磨拋光球面透鏡已不是問題，但對形狀結構複雜、高深寬比之光學鏡片加工不易，因此加工機台設計、穩定性和製造經驗都會影響加工時程和良率。

玻璃模造包括模具研磨加工及玻璃壓模兩部份。機械模具研拋 WC、SiC 模具較玻璃困難；而在光學玻璃模造過程必須考慮物理化學特性及調整出較理想的模造參數，才有機會壓製出品質良好的玻璃透鏡。

量產性

機械研拋方式對球面透鏡，尚有可能進行加工量產，但對非球面鏡透鏡而言，產量與形狀精度不易掌握，量產良率較低。

玻璃模造無論是對球面透鏡以及非球面透鏡進行生產，產品良率極高、形狀精度極佳。

生產成本

可少量對多樣化樣品生產，以致能壓低成本，但對單一產品生產時，無法縮減製造流程，且產、良率極低，生產成本也大為提高。

玻璃模造對球面透鏡及非球面透鏡進行量產數千片以上時，整體模造加工時程大為縮短，加上量產良率高，其生產成本可大幅降低。

表 2.1 非球面玻璃透鏡技術製造技術比較[2]

(18)

德國 Schott 公司[3]製造非球面透鏡有研磨與精密模造兩種方式。研磨法是利用 CNC 進行加工和 MRF (Magneto Rheological Frequency) Polishing，這種方法通常用於製造原型元件或是小量的製

造且可以製造尺寸較大的鏡片，其成品精密度可達到 200Å p-v 如圖

2.2。以精密模造方式的優點是可以大量製造並達到與研磨同等的精密度如圖2.3。

圖 2.2 Schott 以研磨方式製造之非球面透鏡[3]

圖2.3 精密模造之非球面透鏡[3]

(19)

2.2 光學玻璃材料

光學玻璃是在 1890 年由德國的 Schott 所開發出，其中有名的有 O. Schott 發明的鋇冕玻璃(Barium Crown Glass)可以使用於設計消色透鏡。到了1939 年美國的 G. W. Morey 發明了含有鑭、釷、鉭的新種光學玻璃，其性質是Abbe 數 50，折射率由 1.6 增加到 1.8。

而日本從德國引進技術，直到二次大戰後發展出以白金坩堝製造稀土類的硼酸塩玻璃，此方法可以大幅減少玻璃中的氣泡及脈理。直到1965 年保谷(Hoya)公司成功達成連續融解，加入原料、熔融、壓造(Press)最後徐冷的透鏡連續性的從爐內送出[4]。

因模造是為了製造應用在光學元件的鏡片，通常對光學性質會有更高的要求，但擁有優異光學性質的玻璃其軟化點大多是在攝氏五百度以上，而在此高溫的狀態下進行模造容易發生玻璃材料與模具產生沾黏和模具氧化的問題，且此類光學玻璃通常含有Pb、As、Sb 等有毒元素。日本住田光學公司(Sumita)[5]也有研製用於精密模造的低軟

化溫度光學玻璃如表2.2。理想的光學玻璃是可達到要求之光學性質又具低軟化溫度，US Patent 20050233890[6]由 Konica Minolta 公司研發出可達到相同光學性質但具有較低軟化溫度及較輕質量之優點卻不含上述有毒元素之光學玻璃材料如表2.3 所示。

(20)

表2.2 軟化溫度為 325℃之光學玻璃[5]

(21)

表2.3 Konica Minolta 改良之光學玻璃[6]

光學玻璃依其 nd(平均折射率)及 υ(Abbe 數)分類，大致上分為冕牌玻璃(Crown、υ 值 50 以上)與火石玻璃(Flint、υ 值 50 以下)，冕牌

又分有 BK、K、SK 等系列，火石又有 F、LF、SF 等種類，這些名稱是因加入獨特化學成分再以折射率進行命名[4]。

2.2.1 玻璃預形體

玻璃預形體一般可以分為玻璃球、Gob、Glass Blank、玻璃棒等

等，通常玻璃球預形體是以傳統研磨方式製造，表面粗糙度較佳。而 Gob、Glass Blank 預形體則是將熔融狀態之玻璃液經過噴嘴狀機構滴落至載台，這種製造方式速度較快，但表面精度較差且尺寸大小較不

(22)

其方法是當熔融玻璃液經噴嘴流出後，因玻璃還是存有粘滯性所以會產生拉絲的情況，藉由一組加熱絲進行加熱切斷玻璃絲如圖 2.4，如此可以避免使用機械方式切斷產生表面缺陷或殘留應力。

圖 2.4 滴落法改善方法[7]

(23)

圖2.5 Matsushita、Sumita 光學公司於 1997 年發表之機台[7]

2.2.2 玻璃預形體之精度要求

以日本 Hoya 公司[8]對玻璃預形體的要求，光學性質的容忍度為折射率在±50*10^-5、Abbe 數在±0.8％，但在要求更高均質性的高等級光學玻璃其折射率可以控制在±1*10^-6，依照其退火過程的精細度也會對預形體的形狀精度產生影響如表2.4 所示。

表2.4 退火對外形之影響[8]

(24)

對於壓製的 Blank 外徑及厚度也有容許的範圍如表 2.5。

表2.5 Hoya 製作 Blank 的品質[8]

使用在超高精密度光學系統中的大尺寸Blank 預形體必須將每一小部分的折射率變化都控制在非常小的範圍內，由於需將光學指數變化控制在非常小的範圍中且維持一個極高的光學均質化，這些 Blank 預形體經過一些特殊的加工過程，最後利用干涉的方式檢測訂定預形體的均質等級如表2.6。

表 2.6 預形體均質等級[8]

(25)

2.3 模造製程設定參數對成品之影響

在模造的過程中有許多的參數會對形狀或光學性質產生影響例如：加熱時間、持壓時間、壓力、退火時間等。

泉谷徹郎[4]提到玻璃表面在壓造時驟冷而發生固化，此時表面和內部具有溫度差所以表面是受到張應力，若模具溫度過低使溫差加大導致此張應力大過玻璃強度就會破裂。反之若模具溫度過高，壓造時會使玻璃過度變形。所以模具溫度、玻璃溫度、壓造時間、壓力及壓造後玻璃溫度都在控制下可以有效抑制外徑尺寸的變化。壓造成品尺寸與模具尺寸的關係仰賴實驗結果如圖2.6 所示。

圖2.6 成品尺寸與收縮量[4]

(26)

此外隨著外徑尺寸之增大壓造時間也為之加長，壓造時間與外徑尺寸的變化關係如圖2.7。

圖2.7 壓造時間與外徑尺寸的關係[4]

內厚公差(mm) 外徑公差(mm) 外徑(mm)

再壓造直接壓造再壓造直接壓造 10 以下 ±0.5 0.5 ±0.1 0.2

10～30 ±0.4 0.4 ±0.1 0.2 30～50 ±0.4 0.4 ±0.2 0.3 50～70 ±0.4 0.4 ±0.3 0.3 70～100 ±0.5 0.5 ±0.4 0.4 100 以上 ±0.5 0.6 ±0.5 0.5

表2.7 壓造品的加工公差[4]

(27)

Aono 等人[9]成功的以模造的方式製造大直徑的非球面透鏡，實驗中選用 Tg 點 667℃的玻璃並在 720℃～730℃進行模造，精確的控制預形體的容積誤差在 0.1％內、且環境溫度差控制在±2℃，這說明了環境溫差會對鏡片的成形造成極大的影響。且文中提到若在較高溫度就進行退火會影響鏡片形狀，所以理想的退火溫度雖然為630℃但為求避免產生散光和不均勻的現象而把退火溫度設定為590℃。

圖 2.8 退火溫度對折射率的影響[9]

(28)

Hosoe 等人[10]以降低模造時間、高再現性、高可靠度為目標，

透過獨立分佈的多模穴配置、模穴及模具組合，並改善加熱系統電源供應方式，經由電腦進行誤差補償，使整個玻璃熱壓製程達到可以高速大量製造、模具壽命提高等目的。文中提到這種批次式的模造系統

可以在無人操作的情況下連續運作 150 小時，而模具的表面經過

10000 道次壓製後無發現任何損傷。表 2.8 為兩種模造形式的比較。

項目連續式批次式

概述

整體模造過程，從玻璃預形體供給到置放在模具上壓模成形後取出鏡片皆是互相聯繫。

模造中，加熱及冷卻玻璃材料都是固定同一模具上進行。

優點

(1) 低熱能量損失

(2) 加熱時間與冷卻時間可較長

(3) 模造成形之透鏡可在同一製程中退火

(1) 每個製程時段都是獨立 (2) 較少模具數量就可提供適當

生產產品的能力

(3) 模具與鏡片透鏡之間的可靠度、同軸性可容易維持高精度

缺點

(1) 運送模具系統很難簡單化

(2) 極慢生產速度影響整體鏡片產率 (3) 模造製程所造成的損壞很難限制在某

段製程小區域裡

(1) 熱損失高

(2) 模造大尺寸鏡片生產成本高會快速增加

表2.8 兩種生產方式與優缺點比較[10]

(29)

Firestone 等人[11]，以電腦回溯控制配合適當負載，研究 BK7、

SK5 與碳酸鹽類等玻璃在高溫下應力鬆弛性之特性，當負載應力達最大值者玻璃內部發生應力鬆弛，而藉由此實驗數據可供電腦回溯，藉此控制模具壓製玻璃預形體的時間與位移點，以達到模造最佳成效。

圖2.9 玻璃預形體承受應力、模造位移點時間關係圖[11]

圖 2.10 BK7 玻璃應力應變關係圖[11]

(30)

Jain 等人[12]用有限元素分析法模擬模造過程，提到經實驗數據去修正模擬模造參數，結果顯示實際上達到預定的荷重要比模擬結果延遲 200 秒，而降溫脫模所需時間也不同。藉實驗數據套用在模擬上，讓模擬結果更加真實，實驗者也可縮短測試參數時間。

圖2.11 模擬數據與實驗數據之比較[12]

模造過程中玻璃透鏡開始收縮變形，尺寸愈大收縮造成尺寸精度偏移的幅度就愈大，所以必須注意尺寸愈大玻璃透鏡形狀精度愈不易控制[12]，圖 2.12(a)為降溫後玻璃透鏡曲度變化情形，由圖所示離透鏡中心4 mm 以內偏差量很少，相對超過 4 mm 後玻璃透鏡形狀精度偏差量很大。圖2.12(b)表示經冷卻到 200℃下脫模後承受殘留應力變化的分佈情況，可以看出玻璃透鏡周圍殘留應力較大，容易發生破裂。當冷卻至室溫20℃周圍殘留應力變小( < 1MPa )，周圍承受應力

(31)

圖2.12 (a)降溫後玻璃透鏡曲度變化情形 (b)冷卻到 200℃下脫模後透鏡承受殘留應力變化的分佈情況 (c)冷卻到 20℃室溫脫模後透鏡承受應力變化的分佈情況[12]

(32)

Kim[13]等人利用精確控制模造參數，例如壓製溫度、施壓時間、

施壓力量等。他們利用實驗結果有效的分析、歸納出最適當的製造參數，其將玻璃軟化至黏滯係數為 10⁷～10⁹Poises 進行壓製，最後在 200℃脫模。除了施壓的過程中，其餘的參數都是固定的，退火速度為1℃/sec，製程示意如圖 2.13。

圖2.13 製程示意圖[13]

在施壓過程中分為低壓力及高壓力兩個步驟如表 2.9(a)，並且在保壓的狀況下進行退火，溫度降至200℃時脫模表 2.9(b)。

表2.9 (a)兩階段施壓[13]

(33)

表2.9 (b)製造過程[13]

圖2.14 成品表面粗糙度[13]

(34)

黃錦坤碩士論文[14]提到模具較小的穿孔及圓弧導角(R:5mm) 時，玻璃硝材隨溫度越高而流動性提昇，使得玻璃傾向往外側流動而非往下流動，所以會得到曲率半徑較小的平凸透鏡，鏡面周圍徑向裂紋與壓痕可獲改善如圖2.15。若在較低溫或高黏滯係數下成形鏡片，

鏡片會出現嚴重裂痕及捲曲變形如圖2.16。

圖2.15 改善裂紋及壓痕之鏡片

圖 2.16 較低溫成形出現嚴重裂痕及捲曲變形之鏡片

(35)

2.4 改善模造結果之方法

US Patent 20040211221[15]，在模具表面濺鍍一層氧化物膜層，

其成份是氧化鋁、氧化釔及氧化鋯，三成份之間有一定的比例關係以達到最佳效果，此膜層可抵抗高溫沾粘反應且硬度高可增加模具磨耗壽命而厚度為10～50 奈米。

圖 2.17 模具表面鍍層[15]

US Patent 20060065018[16]，在 SiC 模具上塗佈一貴金屬膜作為抵抗玻璃沾黏，並且在下模仁設置冷卻水通道，當脫模時模仁溫度比玻璃透鏡要來的低，脫模較為容易，因此對模仁損傷減少，可增加模具之模造壽命如圖2.18。

(36)

圖2.18 冷卻水通道之設計與塗佈貴金屬層[16]

US Patent 20050028558[17]，研究不同玻璃材料對模仁之溼潤

性，結果發現當在玻璃材料上鍍一層脫模功能膜(Mold Release Functional Film)，其表面能低於 55 mJ/m²，可有效減少與模仁間摩擦改善其脫模能力(Releasability)，經模造後可獲得表面精度優異的非球面透鏡。

Hosoe 等人[10]認為玻璃材料和模具分開加熱，模具溫度比玻璃溫度低，可改善沾黏問題。

US Patent 6003338[18]提到模具與玻璃預形體不須一起加熱至等

溫狀態才可進行模造，只要將模具升溫至相當於玻璃黏滯係數10⁹～ 10¹¹dPaS，玻璃預形體加熱黏滯係數 10⁵～10⁷dPaS 即可模造，模造過程中玻璃預形體會先放置圖2.19(a)所示之模具預熱，經一夾置具放

(37)

玻璃軟化點後開始進行壓製，經持壓4 秒後模具以 1 ℃/s 進行冷卻，

此製程模具溫度比預形體溫度低，導致玻璃會快速冷卻，而當冷卻至玻璃鏡片中心點溫度與鏡片表面達平衡時，此時玻璃鏡片之冷卻速率會約等同模具冷卻速率，藉由此方式可克服其他模造製程所發生玻璃變形量不足導致的形狀缺陷，或者是氣體殘存於玻璃表面而影響成形精度。此法也較玻璃預形體與模具同時加熱更具有效率，時間的耗費上減少許多。

(a) (b)

圖2.19 (a)預熱玻璃預形體之模具 (b)置入預熱後玻璃預形體開始進行模造示意圖[18]

(38)

一般模造溫度大多建議設定高於玻璃轉移溫度 30℃即黏滯數在 10⁷～10⁹ Poises，進行熱壓時模仁與玻璃球溫度不一定相同，Hoya[19]

對熱壓模具的設定溫度(或該溫度玻璃的黏滯係數)及對玻璃球之間

黏滯係數做出建議如表2.10，從表中可看到當在玻璃預形體黏滯係數 10⁷～10⁹ Poises，模具溫度設定在相當於玻璃黏滯係數為 10⁹～10¹¹ Poises 時的溫度，可壓製出較佳的精密光學玻璃透鏡。而上模溫度需

高於下模溫度，有助於其透鏡脫模，但會發生成形玻璃透鏡吸附掉落現象(Fall-down)。上下模溫差為 2～15℃之間，設定模造壓力為 50～

250 kg/cm²為較適合模造條件。過小壓印力會無法使玻璃透鏡成形，

反之壓力過大會產生持久應變與過多殘留應力發生。當然設定較高溫熱壓可降低荷重及縮短加壓時間，但易降低模具使用壽命，沾黏問題也愈嚴重。熱壓成形後也必須進行緩慢的冷卻退火以消除應力，太快冷卻速率會間接影響成形鏡片精度。

(39)

Pressing Mold Temper-

ature(℃)

460 480 500 520 540 560 605

Temper- ature(℃)

Glass Viscosity (dPaS)

10¹³ 10¹² 10¹¹ 10¹⁰ 10^9.0 10^8.0 10^7.0

700 10^4.0 Radial line marks Bubbl- ing 660 10^6.0

Good Slight Radial

Line Marks

Radial Line Marks 620 10^7.0

580 10^8.0 540 10^9.0

Defec- tive Exten- sion

Good Slow Deformation

Good

Good Slight Radial Line Marks

500 10¹⁰

Defec- tive Exten- Sion

Good Slow Deformation

Radial Line Marks

Preform

460 10¹¹

Crack-

ing Defective extension 表 2.10 熱壓模仁和玻璃球之間相對黏滯係數[19]

(40)

模造玻璃透鏡玻璃高粘滯度與成形溫度是決定透鏡形狀精度的關鍵要素[20]。圖 2.20 是玻璃的溫度與熱膨脹量的特性曲線，在轉移溫度以下玻璃預形體受到破壞無法成形，須在降伏點以上，當軟化點附近模造時，雖玻璃變形量提高，但在冷卻時收縮量也會隨之增大，

壓製出成品易產生裂紋與凹斑，所以透過圖2.21 所示二段式成形法，

其原理是玻璃於軟化點進行一次壓製，再當退火至轉移點時再施以二次壓力作為補償，減少上述缺陷的發生，可大幅改善玻璃透鏡之精度 (圖 2.22)。

圖2.20 玻璃的溫度與熱膨脹量的特性曲線[20]

(41)

圖 2.21 二段加壓成形法原理示意圖[20]

圖 2.22 經二段加壓成形後成形效果[20]

(42)

2.5 模具材料之選用

一般模造所使用之模具必須是能承受高溫高壓之環境下仍能維持模具之精度而不變形，所以必須具有低膨脹係數與高熱傳熱等特性，無論對模具反覆急速升溫或冷卻下不會對模具產生任何損壞。

日本富士公司[21]，認為可以利用玻璃轉移溫度較大之玻璃材料先以陶瓷材料為模具壓製成新的模具，藉由已成形的玻璃材料模具模造玻璃轉移溫度較小之玻璃預形體，但在轉移溫度較相近之玻璃材料當模具時，選擇較小線膨脹係數的玻璃材料作為模具既可有效避免成形透鏡表面損壞，也可模造成精度較高之玻璃透鏡。

圖 2.23 使用玻璃材料模具進行模造[21]

(43)

Hall[22]等人，使用非晶系之玻璃碳(Amorphous Glassy Carbon, AC)、與燒結碳化矽、碳化鎢模具，經磁流變拋光(Magneto Rheological Finishing, MRF)達到表面粗造度 10 nm 以下，發現 AC 材料較易於加工至 0.5 nm 以內的之表粗如表 2.11，其膨脹係數比起其他兩者要來的更低。經數次模造測試後，燒結碳化鎢模具表面上會產生玻璃沾粘現象，而以AC 作為模具者可以完全避免玻璃沾粘，相對於單位體積材料價格較其他陶瓷模具較為低廉，所以極為適合做為新下一代模造材料。

表2.11 WC 與 AC 之材料比較[22]

(44)

2.6 玻璃模造技術之進展

模造光學鏡片玻璃製程技術於 1974 年首先由 Kodak 公司發展出 [23]，此篇專利以不限玻璃預形體形狀，直接將預形體置入模穴，溫度升高至玻璃軟化點，並通 N2 -5％H2的保護氣體，之後進行壓造成形如圖2.24 所示。當時所用模具材料為似玻璃碳(Glasslike Carbon)，

熱壓範圍700～800 ℃、退火溫度 600～700℃。

圖 2.24 Kodak 模造玻璃鏡片模具[23]

(45)

圖2.25 Kodak 模造玻璃鏡片模具設計圖[24]

日本 Hoya 公司於 1990 年發表專利[25]，提及專利[23][26][27]，

皆以黏滯係數10^7.5 Poises 即玻璃軟化點(Softening Point, SP)溫度進行壓製，為防止玻璃因冷卻收縮量太大導致變形，可持續壓力並緩冷至玻璃轉移點附近溫度再卸除壓力。當模仁溫度降至300 ℃時即可取出鏡片，但加熱及冷卻時程太長，無法達到更快量產需求。

(46)

日本 Matsushita 發展出連續式模造系統[28]，將熔融玻璃材料滴落至模具再移送至模造區域直接模造成形如圖2.27。

圖2.27 Matsushita 連續模造機[28]

(47)

第三章實驗方法

3.1 實驗流程圖

模具及試片前處理

設定參數 1.模具溫度 2.下壓壓力 3.持壓時間

通入保護氣體 1 l/min

模造成形

表面形貌觀察及量測 SEM、OM

分析

結果與討論

(48)

圖3.1 模造參數(540℃、壓力 40kg、持壓 15 秒)

圖3.2 模造參數(550℃、壓力 40kg、持壓 20 秒)

(49)

3.2 實驗規劃

本實驗是將 K-CD45[29]之玻璃球放置一底材上，上模具材料者為燒結而成之碳化矽(SIC)，然後會以穿孔的圓形碳化鎢作為下模具，玻璃球放置其孔洞上受熱後，經由上模具壓製成形。

實驗首先設計上會先歸納出不同模造參數，探討對於K-CD45 玻璃球成形平凸透鏡之影響，而實驗中使用兩組鎳鉻絲加熱元件，加熱上下兩模仁及玻璃球，系統結構示意如圖3.3。

圖3.3 實驗示意圖

加熱元件

K-CD45 玻璃球上模仁

下模仁

(50)

3.3 實驗設備 3.3.1 加熱系統

圖3.4 為爐體內部加熱元件配置，以兩組鎳鉻絲加熱元件加熱至實驗參數需要之溫度進行模造。

圖3.4 加熱系統

(51)

3.3.2 上下模具

圖3.5(a)為將不鏽鋼加工成楔形槽以便將圓形之碳化矽(SIC)固定，(b)是經放電加工後穿圓孔的碳化鎢(WC)作為下模仁。

圖 3.5 (a)不鏽鋼模具及碳化矽模具

(b)穿孔後碳化鎢

(52)

3.3.3 研磨系統

圖3.6 為球式研磨機(Ball Grinder)，可使用不同直徑的鋼球將圓孔模仁固定於鋼版上進行研拋。

圖3.6 球式研磨機 3.3.4 系統組合圖

圖3.7 為上模具及下模具安裝至加熱爐中之組合圖。

圖3.7 系統組合圖

(53)

3.3.5 實驗檢測系統

圖3.8 使用 Hitachi 公司製造型號為 S-4160 之掃描式電子顯微鏡，用來觀測模造玻璃透鏡表面成形後之狀況。

圖3.8 掃描式電子顯微鏡 3.3.6 控制系統

圖3.9 為奇豪電熱公司設計之可程式溫控器，控制爐內溫度。

(54)

3.3.7 量測系統

圖3.10 為二極體雷射光源、Edmund Optics Beam Expander 及宏惠光電之鏡片夾置具組成之光學量測系統。

圖3.10 光學量測系統

(55)

3.4 實驗步驟 3.4.1 模具前處理

1. 將碳化矽與碳化鎢拋光至表面粗糙度 Ra=1μm。

2. 直徑為 10mm 厚度 2mm 之碳化鎢圓片，中心部份加工出直

徑2mm 之圓孔。

3. 把已具有圓孔的碳化鎢模仁固定在球式研磨機 (Ball Grinder)，選擇所要之曲率半徑鋼球進行研磨形成導角。

4. 將 Sumita 公司提供之玻璃預形體 K-CD45[29]以超音波振洗機中清洗後置於碳化鎢的孔洞中，其玻璃預形體機械性質如表 3.1。

(56)

(57)

3.4.2 實驗參數設定

1. 設定溫控器之升降溫曲線。

2. 設定下壓壓力。

3. 設定持壓時間。

3.4.3 冷卻階段及結果觀察

以SEM、OM 觀察熱壓後表面成形結果。

(58)

第四章結果與討論

由於黃錦坤碩士論文[14]對成形溫度、模具孔徑及導角大小已有深入探討，而本研究利用上模具溫度較高在壓製接觸時傳熱至玻璃預形體使之軟化成形，文中探討上模具溫度、下壓壓力及持壓時間對成形結果的影響。

4.1 模造溫度對透鏡成形結果之影響

本研究主要是利用上模具之高溫以及下模具的穿孔結構進而壓製出平凸透鏡，溫度是最直接影響透鏡成形的參數，溫度低玻璃之黏滯係數高在壓製過程中較易產生裂紋，溫度高則會發生沾粘或白霧化現象。

實驗中使用之玻璃預形體 K-CD45[29]之降伏溫度為 507℃，本節將討論上模具溫度在530℃、540℃、550℃時壓製後對鏡片厚度、直徑及光學面曲率的影響。

(59)

4.1.1 模具溫度對鏡片厚度及直徑之影響

圖4.1-圖 4.3 為玻璃預形體以 30kg 之壓力，分別在 530℃、540℃、

550℃之溫度下成形之外觀及 SEM 表面形貌觀察圖。圖中可發現 530℃及 540℃之壓痕較為明顯，將溫度提升後可有效改善。

圖 4.1 530℃成形透鏡外觀及表面形貌圖

(60)

圖 4.4-圖 4.6 為分別在 30kg、40kg 壓力下之溫度對透鏡厚度的關係圖，圖中顯示熱壓溫度與透鏡厚度呈現線性關係，較高的溫度可得到厚度較薄的透鏡。

在圖4.6 中可發現持壓 25 秒之試片在 550℃時反而得到較厚的厚度，原因在於模造溫度較高亦即玻璃預形體之黏滯係數降低而使得更多玻璃材料進入孔洞形成較低曲率半徑之光學面。

(61)

圖4.4 壓力 30kg 時，成形溫度對透鏡厚度之影響

(a) (b) (c)

圖4.5 壓力 30kg 持壓 25 秒時，成形溫度對透鏡形貌之影響 (a)530℃(b)540℃(c) 550

(62)

圖4.6 壓力 40kg 時，成形溫度對透鏡厚度之影響

圖 4.7-圖 4.9 分別為以 30kg、40kg 壓力下之溫度對透鏡直徑的關係圖，可以發現隋著模造溫度提高透鏡成形之直徑也愈大，但在圖 4.9 中發現透鏡之直徑隨著溫度升高有趨緩甚至變小之趨勢，其原因在於較高的成形溫度使得較多已被軟化的玻璃材料被擠壓進入孔洞中形成曲率半徑較小的光學面而導致透鏡直徑趨緩或變小。

(63)

圖4.7 壓力 30kg 時，成形溫度對透鏡直徑之影響

(a) (b) (c) 圖4.8 壓力 30kg 持壓 10 秒時，成形溫度對透鏡形貌之影響

(a)530℃(b)540℃(c)550℃

(64)

圖4.9 壓力 40kg 時，成形溫度對透鏡直徑之影響 4.1.2 模具溫度對鏡片光學面曲率半徑之影響

圖 4.10-圖 4.12 分別為在 530℃、540℃、550℃時透鏡成形後之 SEM 曲率觀察圖。本研究中使用之玻璃預形體曲率半徑為 2.43mm，

由於玻璃預形體上半部在壓製瞬間會接受到模具的熱，所以整顆玻璃預形體的上下半部溫度分布是不均勻的，而在較低的壓製溫度時預形體的下半部流動性更低，所以玻璃材料受壓後會往左右兩側移動而不是向孔洞中擠入，由此三張圖中可以發現隨著溫度愈高透鏡成形之曲率愈小。

(65)

圖4.10 530℃成形曲率觀察圖

(66)

圖 4.13-圖 4.15 分別為壓力 30kg、40kg 壓製後溫度-光學面曲率半徑關係圖。圖中可以發現在530℃時成形之曲率半徑大約等同玻璃預形體原始之曲率半徑，原因在於此溫度下還不足以使玻璃成形。而在540℃時因為此溫度使玻璃預形體具有較大的變形量，但還不足以使玻璃材料擠入孔洞中，所以壓製過程中玻璃材料是向左右方向擴散導致光學面曲率半徑上升。在550℃則因為黏滯係數已經大幅下降使得壓製時光學面之曲率半徑得以下降。

(67)

圖 4.13 壓力 30kg 時，成形溫度對透鏡曲率半徑之影響

(a) (b) (c)

圖4.14 壓力 30kg 持壓 15 秒時，成形溫度對透鏡形貌之影響 (a)530℃(b)540℃(c)550℃

(68)

圖4.15 壓力 40 kg 時，成形溫度對透鏡曲率半徑之影響圖 4.16-圖 4.18 為透鏡成形過程之示意圖，圖 4.16 為 530℃壓製後光學面曲率半徑維持不變。圖4.17 為 540℃壓製後因玻璃預形體下半部之軟化程度還不足以擠壓入孔洞所以得到較高之曲率半徑。圖 4.18 為 550℃壓製過程中玻璃預形體整體已達相當軟化程度開始擠入孔洞所以得到低於原始曲率半徑之光學面。

圖4.16 530℃變形示意圖

(69)

圖 4.19 為 530℃、540℃及 550℃在壓力 30kg 下持壓 10 秒後之結果，其結果經簡單的計算得知變形過程中之體積與原始玻璃預形體之體積互相匹配，以驗證圖4.16-圖 4.18 變形示意圖之正確性。

圖4.19 在壓力 30kg 持壓 10 秒後成形，透鏡之形貌 (a)530℃(b)540℃(c)550℃

(70)

4.2 模造壓力對透鏡成形結果之影響

玻璃材料在轉移溫度以上時為黏彈性體，同時具有固體及液體的特性，玻璃材料的流動性對於溫度變化會非常大，所以在不具有足夠流動性的情形下玻璃材料還是一種脆性材料，而在較大壓力且玻璃流動性低就進行模造容易在光學面周圍產生裂紋，如圖4.20-圖 4.21 所示。本節將討論在壓力30kg、40kg 壓製後對鏡片厚度、直徑及光學面曲率的影響。

圖4.20 溫度 540℃壓力 30kg 壓製之透鏡表面，並無裂紋產生

(71)

圖4.21 溫度 540℃壓力 40kg 壓製之透鏡表面，產生裂紋

4.2.1 下壓壓力對鏡片厚度及直徑之影響

圖 4.22-圖 4.25 分別為 530℃、540℃、550℃下壓製後壓力-透鏡厚度之關係圖。圖中可觀察到530℃較低溫時因壓力變化而產生不同厚度的圖形斜率比較和緩，因為溫度低時玻璃流動率低所以即使加大壓力也不易得到較薄的透鏡。

(72)

圖4.22 溫度 530℃時，壓力對透鏡厚度之影響

(a) (b)

圖4.23 溫度 530℃持壓 10 秒時，壓力對透鏡形貌之影響 (a)壓力 30kg(b)壓力 40kg

(73)

(74)

圖 4.26-圖 4.29 分別為 530℃、540℃、550℃下壓製後壓力-透鏡直徑之關係圖。由圖中觀察相同壓力下，隨著溫度升高透鏡的直徑變化會大幅度的增加，可見溫度對於模造的成形結果是有非常大的影響而並不是只加大壓力。

圖4.26 溫度 530℃時，壓力對透鏡直徑之影響

(a) (b)

圖4.27 溫度 530℃持壓 10 秒時，壓力對透鏡形貌之影響

(75)

(76)

4.2.2 下壓壓力對鏡片光學面曲率半徑之影響

圖 4.30-圖 4.33 分別為 530℃、540℃、550℃下壓製後壓力-光學面曲率半徑關係圖。圖中可觀察530℃時壓力對曲率半徑之影響並不大，由於溫度較低所以光學面幾乎都還維持在玻璃預形體之原始曲率半徑。在540℃則明顯發現隨著壓力提高使光學面曲率半徑上升，在此溫度下玻璃材料之黏滯係數還較高所以壓製過程中是往左右方向流動導致曲率半徑上升。550℃玻璃材料之軟化程度足以擠入下模具孔洞中使曲率半徑下降。

圖4.30 溫度 530℃時，壓力對透鏡曲率半徑之影響

(77)

(78)

(a) (b)

圖4.33 溫度 550℃持壓 20 秒時，壓力對透鏡形貌之影響 (a)壓力 30kg(b)壓力 40kg

4.3 模造持壓時間對透鏡成形結果之影響

在本研究中持壓時間最主要影響的是上模具將熱能傳導至玻璃預形體的時間長短，持壓時間不足會使得玻璃材料上下半部溫度不均，這將導致光學面周圍發生裂紋、透鏡整體變形不足，而持壓時間的增加亦可達到保壓的效果，透鏡受壓成形後因為是一黏彈性體所以移除壓力後會收縮，保壓的狀態配合降溫曲線可以達到維持透鏡壓製的形狀精度。本節將討論持壓時間為 10、15、20、25 秒壓製後對鏡片厚度、直徑及光學面曲率的影響。

(79)

4.3.1 持壓時間對鏡片厚度及直徑之影響

圖 4.34-圖 4.37 分別為 530℃、540℃、550℃下壓製後持壓時間與透鏡厚度之關係圖。觀察後得知在相對低溫時(530℃、540℃)，厚

度的變化還是相當大並隨持壓時間增加而厚度愈薄。但在第三組 (550℃)可以發現厚度變化範圍在±0.05mm，變化已經非常小，可得知在此溫度-時壓時間之組合已達到最大厚度變形量。

圖4.34 溫度 530℃時，持壓時間對透鏡厚度之影響

(80)

(81)

(a) (b)

(c) (d)

圖4.37 溫度 550℃壓力 30kg，持壓時間對透鏡形貌之影響 (a)持壓 10 秒(b)持壓 15 秒(c)持壓 20 秒(d)持壓 25 秒

圖 4.38-圖 4.41 分別為 530℃、540℃、550℃下壓製後持壓時間與透鏡直徑之關係圖。圖中可以發現在高溫時(550℃)其直徑變化範圍為±0.3mm，所以在此時直徑的變化也趨近最大變形量。另外可以

發現540℃-40kg 壓製後之直徑比 550℃-40kg 還來的大，原因在於 550℃之玻璃材料流動性較佳而形成了較大曲率半徑的光學面，並配合上節圖4.6 的溫度-厚度關係圖可相互驗證此現象。

(82)

圖4.38 溫度 530℃時，持壓時間對透鏡直徑之影響

(83)

(a) (b)

(c) (d)

圖4.41 溫度 550℃壓力 40kg，持壓時間對透鏡形貌之影響

(84)

4.3.2 持壓時間對鏡片光學面曲率半徑之影響

圖 4.42-圖 4.45 為分別在 530℃、540℃、550℃下壓製後持壓時間-光學面曲率半徑關係圖。從圖中觀察發現 530℃模造後隨著持壓時間曲率會些微下降但只是幾乎與玻璃預形體原始之曲率半徑相似，原因在於此溫度還無法使玻璃預形體產生大幅度的變形故光學面的曲率半徑變化非常微小。540℃時玻璃材料之黏滯係數已降低至可產生較大變形量而持壓時間的變長可有效使上半部之玻璃材料充分吸收熱量軟化後往左右方向流動而下模具孔洞周圍之玻璃材料也被拉往左右兩側，此原因造成光學面之曲率半徑隨持壓時間增加而變大。

550℃則因為此時玻璃材料之軟化程度已可被擠入孔洞之中使得光學面曲率半徑開始縮小。

(85)

圖4.43 溫度 540℃時，持壓時間對透鏡曲率半徑之影響

(a) (b)

(c) (d)

圖4.44 溫度 540℃壓力 30kg，持壓時間對透鏡形貌之影響

(86)

圖4.45 溫度 550℃時，持壓時間對透鏡曲率半徑之影響

4.4 鏡片成品之光學量測

圖 4.46 為一個三爪夾置具固定鏡片進行量測，中央黑色圓形陰影為透鏡其內之白點即為光源被透鏡聚焦之焦點。

(87)

圖 4.47 為光學模擬軟體所模擬出之透鏡焦距圖，透鏡之模造參數為溫度550℃壓力 30kg 持壓 15 秒，而透鏡成形之結果厚度為 2.18mm、直徑 7.21mm、曲率半徑 2.42mm、焦距實際量測以及模擬結果皆為3mm。

圖4.47 透鏡焦距之模擬圖

(88)

第五章結論

由實驗結果得知以穿孔結構之下模具可以壓製出非球面平凸透鏡，其中溫度、壓力及持壓時間對平凸透鏡之外觀大小、光學面曲率半徑及形貌結構上有顯著影響，對於成形特性之研究有下列幾點結論：

1. 玻璃預形體在黏滯係數較高的狀況下進行壓製其結果不易達到需求之尺寸大小，光學面之曲率半徑也是明顯較大，且在低溫時模造較易產生表面的瑕疵如裂紋、寬度較大之壓印痕。而較高溫下所壓製出的結果可得到較佳的成形尺寸及無破壞的光學面。

2. 在相同黏滯係數下如以較低壓力進行模造較不易破壞光學面，但要得需求之尺寸大小就需要更長的壓製時間。而光學面曲率則因為壓力上升有變大的趨勢，但在高溫時且壓力大會有較佳的成形結果，在此兩條件達成時會使光學面曲率下降，形成較凸的透鏡。

3. 隨著持壓時間增加代表上模具傳給玻璃預形體之熱能較多，導致玻璃材料整體均溫性較佳，配合較高的模溫與較大壓力可以達到低於原始玻璃預形體之光學面曲率半徑。但是此條件下由於整體玻璃材料已經有相當程度的軟化狀態，所以會開始發生光學面周圍陷入孔洞的現象，此現象會使光學面受損產生瑕疵。

(89)

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中 華 大 學 碩 士 論 文