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研究生: 陳峻明
Chen, Chun-Ming
論文名稱: 折射式微透鏡之準分子雷射LIGA製程開發與光學檢測
Refractive Microlens : Excimer Laser LIGA Fabrication and Optical Characterization
指導教授: 李永春
Lee, Yung-Chun
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2004
畢業學年度: 92
語文別: 中文
論文頁數: 126
中文關鍵詞: 微光學元件折射式微透鏡熱壓印成形電鑄準分子雷射加工LIGA-Like製程
外文關鍵詞: Micro-Optic Device, Hot Embossing Molding, Electro-deposition, Excimer Laser Micro-machining, Refractive Microlens, LIGA-Like
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  •   本論文首先提出一種創新的準分子雷射(Excimer Laser)精密微細加工技術,可以快速加工出任意曲面形貌之3D微結構,且其加工精確度可以達到次微米的等級;其次,將此一技術應用於球面與非球面折射式微透鏡與微透鏡陣列的精密加工;並結合微電鑄與微熱壓印成形技術,形成完整的準分子雷射LIGA-Like製程,可以大量複製球面與非球面的光學微透鏡。最後,論文將對於所製作之微透鏡進行完整的光學分析與檢測。
      在準分子雷射加工方面,本論文提出一種創新的光罩設計與工件旋轉加工方式,稱之為「準分子雷射行星式加工法」;主要係利用特殊的光罩設計及工件的自轉與公轉,使雷射投射在工件上的加工機率呈現三維的連續分佈,以精確且快速地加工出各式三維任意曲面的微結構;並經由數值模擬與實驗量測,證明此一「準分子雷射行星式加工法」的可行性與精確度。此技術可以廣泛應用於3D微結構的精密加工與大量製作,包括微透鏡、微鏡片、光纖耦合與連接器、雷射二極體之耦合鏡、與其它相關之微光學元件之製作與大量生產。
      此外,為了對所製作完成之微透鏡有更充分的了解,除量測微透鏡的表面形貌與表面粗糙度之外,本文亦對所製作之微透鏡進行光學分析與檢測,包含微透鏡光學原理之理論推導、ZEMAX光學軟體分析模擬與光學檢測實驗,並對分析模擬結果與光學實驗量測結果相比較,証明所製作之球面與非球面微透鏡具有良好的光學特性與精確的加工形貌。

      This study investigates the laser-LIGA micro-fabrication processes for fabricating spherical and aspheric microlenses and microlens array. Particular emphasis is placed on the machined surface profile accuracy for axially symmetrical microstructures with a pre-described surface profile. It is then followed by electro-deposition of metal nickel and hot embossing molding of polymer materials to complete a full cycle of LIGA-like manufacturing process. The process can be applied for mass-production of 3D microstructures with precise dimensions and surface profiles.
      In this thesis, a novel excimer laser micro-machining method called “planetary contour scanning method” is developed. The basic idea is based on a specific mask design method and a sample rotation method which includes both self-spinning and circular revolving to provide a probability function of laser machining. The probability function created by the planetary scanning assures a continuous, smooth, and precise surface profile to the machined microstructures. Which is very important to refractive microlenses and micro-mirrors, and other optical-fiber related micro-optic device.
      The surface profiles of machined microlenses are measured and compared with their theoretical or pre-designed counterparts. Excellent agreements in profiles shapes and dimensions are achieved. Optical analysis software, ZEMAX, has been used for analyzing the performance of the fabricated microlenses. An optical system is set up to characterize the optical performance of the machined microlenses, and then compared with their theoretical data.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 表目錄 VII 圖目錄 VIII 符號說明 XII 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 LIGA與LIGA-Like技術 3 1-2-1 LIGA技術 3 1-2-2 LIGA-Like技術 5 1-2-3 Laser-LIGA製程技術 5 1-3 折射式微透鏡 7 1-3-1 微透鏡的發展與應用 7 1-3-2 折射式微透鏡製造技術 7 1-4 研究目標 17 1-5 本文架構 18 第二章 準分子雷射與行星式加工法 19 2-1 準分子雷射原理 19 2-2 KrF準分子雷射加工系統 21 2-3 準分子雷射旋轉加工法 24 2-4 準分子雷射行星式加工法 27 2-5 光罩設計 33 2-5-1 光罩設計理論 33 2-5-2 光罩設計結果 35 第三章 Laser-LIGA 前段製程技術 41 3-1 準分子雷射加工微透鏡 41 3-1-1 準分子雷射微細加工之特性檢測 41 3-1-2 準分子雷射行星式加工法加工微透鏡 43 3-2 準分子雷射加工結果與表面形貌檢測 46 3-2-1 微透鏡之三維表面輪廓量測 46 3-2-2 掃描式電子顯微鏡(SEM) 54 3-2-3 原子力顯微鏡(AFM) 58 第四章 Laser-LIGA 後段製程技術 60 4-1 精密電鑄 60 4-1-1 電鑄原理 60 4-1-2 電鑄設備 61 4-1-3 精密電鑄技術製作微透鏡模仁 65 4-2 熱壓印成形 69 4-2-1 熱壓印成形原理 69 4-2-2 熱壓印成形機 70 4-2-3 熱壓印成形技術製作微透鏡 71 4-3 熱壓印成形結果與表面形貌檢測 73 4-3-1 微透鏡之三維表面輪廓量測 73 4-3-2 掃描式電子顯微鏡(SEM) 79 4-3-3 原子力顯微鏡(AFM) 82 4-4 Laser-LIGA製程結果比較 84 第五章 微透鏡之光學特性分析與檢測 87 5-1  微透鏡之光學原理 87 5-2  ZEMAX光學模擬 95 5-3 微透鏡光學特性檢測與品質分析 101 5-3-2 微透鏡光學檢測系統 101 5-3-3 焦平面量測與品質分析 104 第六章 結論與未來展望 118 6-1 結論 118 6-2 未來展望 121 參考文獻 124

    [1] 林郁欣, 胡一君, 周曉宇, 微系統製程技術發展, 科儀新知, 第25卷第4期, 民國93年.
    [2] 楊啟榮, 強玲英, 黃奇聲, 微系統LIGA製程之精密電鑄技術, 科儀新知, 第21卷第6期, 民國89年.
    [3] The Technical Report of Institut fur Mikrotechnik Mainz (IMM), Mainz, Germany.
    [4] 林暉雄, 微光學元件之設計技術與應用, 科儀新知, 第25卷第4期, 民國93年.
    [5] Zoran D. Popovic, Robert A. Sprague, and G. A. Neville Connell, “Technique For Monolithic Fabrication of Microlens Arrays,” Appl. Opt. Vol. 27, No.7, pp.1281-1297, 1988.
    [6] D. L. MacFarlane, V. Narayan, J. A. Tatum, W. R. Cox, T. Chen, and D. J. Hayes, “Microjet Fabrication of Microlens Arrays,” IEEE Photonic Technology Letters, Vol. 6, No.9, pp.1112-1114, 1994.
    [7] Walter , Pin Long, and Robert Stein, “General Aspheric Refractive Micro-Optics Fabricated by Optical Lithography Using a High Energy Beam Sensitive Glass Gray-Level Mask,” J. Vac. Sci. Technol. B., Vol. 14, No.6, pp.3730-3733, 1996.
    [8] Sylvain Lazare, John Lopez, Jean-Marie Turlet, Maria Kufner, Stefan Kufner, and Pierre Chavel, “Microlenses Fabricated by Ultraviolet Excimer Laser Irradiation of Poly (methyl methacrylate) Followed by Styrene Diffusion,” Appl. Opt. Vol. 35, No.22, pp.4471-4475, 1996.
    [9] Michael Frank, Maria Kufner, Stefan Kufner, and Markus Testorf, “Microlenses in Polymethyl Methacrylate With High Relative Aperture,” Appl. Opt. Vol. 30, No.19, pp.2666-2667, 1991.
    [10] Nicholas F. Borrelli, David L. Morse, Robert H. Bellman, and Walter L. Morgan, “Photolytic Technique For Producing Microlenses in Photosensitive Glass,” Appl. Opt. Vol. 24, No.16, pp.2520-2525, 1985.
    [11] Slawomir Zlolkowski, “Contactless Embossing of Microlenses-a Parameter Study,” Opt. Eng., Vol. 42, No.5, pp.1451-1455, 2003.
    [12] Choon-Sup Lee, Chul-Hi Han, “A Novel Refractive Silicon Microlens Array Using Bulk Micromachining Technology,” Sensors and Actuators A., Vol. 88, pp.87-90, 2001.
    [13] K. Zimmer, D. Hirsch, F. Bigl, “Excimer Laser Machining for the Fabrication of Analogous Microstructures,” Appl. Surf., Vol. 96-98, pp.425-429, 1996.
    [14] Kris Naessens, Heidi Ottevaere, Roel Baets, Peter Van Daele, and Hugo Thienpont, “Direct Writing of Microlenses In Polycarbonate With Excimer Laser Ablation,” Appl. Opt. Vol. 42, No.31, pp.6349-6359, 2003.
    [15] K. Naessens, Heidi Ottevaere, P. Van Daele, R. Baets, “Flexible Fabrication of Microlenses In Polymer Layers With Excimer Laser Ablation,” Appl. Surf., Vol. 208-209, pp.159-164, 2003.
    [16] 郭晉良, 李永春, 準分子雷射加工微型3D立體結構, 國立成功大學機械工程研究所碩士論文, 民國91年.
    [17] 昇鋐理化有限公司, 鎳電鑄槽操作手冊, Sheng Hung Chemicalengineering CO.LTD, Taiwan.
    [18] 賴耿陽, 實用電鍍技術全集, 復漢出版社, 台北.
    [19] 侯勝發, 朱銘祥, Quasi-LIGA-like製程研製二維振動式微陀螺儀, 國立成功大學機械工程研究所碩士論文, 民國89年.
    [20] 國科會精儀中心, 微機電系統技術與應用, 全華科技圖書公司, 台北, 民國92年.
    [21] Warren J. Smith, Modern Optical Engineering, McGraw-Hill, USA (2000).
    [22] Fischer, Robert Edward, Optical Systems Design, McGraw-Hill, USA (2000).
    [23] 呂浩行, 數值孔徑與同調性的意義, 奈米通訊期刊, 第3卷第3期, 民國86年.
    [24] 林暉雄, 陸懋宏, 高效率微繞射光學元件之設計製作與檢測, 科儀新知, 第21卷第4期, 民國89年.
    [25] Joseph M. Geary, Introduction to Lens Design: With Practical ZEMAX Examples, Willmann-Bell, Inc., USA (2002).
    [26] Joseph W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill, USA (2000).

    下載圖示 校內:2005-07-29公開
    校外:2005-07-29公開
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