A Study of Fresnel Lens Mold Single-Point Diamond Turning 郑颖聪1 蔡元勋1 简瑞廷1 陈伟仁1 林惠萍1 陈明源2 Ying-Tsung Jeng Yuen-Hsun Tsai Jui-Ting Chien Wei-Ren Chen Hui-Ping Lin Ming-Yun Chen 金属工业发展研究中心 精微成形研发处 模具组 工程师1 组长2 Engineer 1 Chief 2 Mold & Precision Machining Technology Section Micro/Meso Mechanical Manufacturing R&D Department Metal Industries Research & DevelOPMent Centre (MIRDC), Taiwan 摘要 菲涅耳透镜由于具有将传统透镜薄型化之作用，因此已广泛被运用于3C、太阳能、LED 照明、车灯、路灯等产业。但因菲涅耳透镜具有微结构，在加工过程中，常无法达到模仁尺寸精度要求。本研究主要是以超精密单点钻石车削方式来探讨加工参数(切削深度、进给速率、主轴转速)对菲涅耳透镜(Fresnel lens)模仁之表面粗糙度与微结构深度之影响。由研究实验结果可知，当主轴转速2000rpm、进给速率0.5mm/min、切削深度0.4μm 时，可获得最佳模仁表面粗糙度。而影响模仁表面粗糙度最关键的因子进给速率，其次是主轴转速。因此若欲提升模仁表面粗糙度，降低进给速率将可获得最佳效果，但加工时间将会拉长，故适当的提升主轴转速将可降低加工时间，并提升表面粗糙度。 关键词：菲涅耳透镜、超精密加工、单晶钻石刀具、模仁、表面粗糙度。 Abstract Since Fresnel lens is equipped with thinning feature of traditional lens, Fresnel lens is widely applied in 3C, solar energy, LED lamination, car lamp and roadway lighting. Due to micro-Fresnel lens structure, machining process cannot achieve the required dimensional accuracy of mold insert. This research uses ultra-precision single-point diamond turning approach to study the influence of machining parameters (cutting depth, feed rate, spindle turning speed) on surface roughness and micro-structure depth of Fresnel lens. Research results indicate when spindle turning speed reaches 2000rpm, feed rate is 0.5mm/min and cutting depth is 0.4μm, the best mold insert surface roughness can be obtained. The key factor to affect mold insert surface roughness is the feed rate. The second important factor is spindle turning speed. To increase mold insert surface roughness, reduction of the feed rate can obtain the best effect, however machining time will prolong. Therefore proper increase of spindle turning speed can reduce machining time and increase surface roughness. Keyword: Fresnel lens, Ultra precision machining, single-point diamond tools, mold insert, surface roughness. 一、前言 在3C、光电、消费性产品的不断推陈出新之下，许多光学组件也有不许多不同的运用方式，环形微结构之光学镜片早在公元1821 年法国物理学家A. J. Fresnel 就发明了，其当时想法是将凸透镜中央厚度部份除去后(如图1)，依然可以依照表面曲率聚光，后人称之为 (Fresnel lens)。而菲涅耳透镜是一种由许多同心圆结构组合而成的平板状透镜，比凸透镜的轻薄，这对一些微型化及轻量化之产品而言，是一个非常好的优势。早期的菲涅耳透镜是以玻璃为材料，然而因为当时玻璃的加工技术限制，所以应用范围小。但随着加工技术与射出成型技术之进步，在制造及生产的困难度相对降低，因此可大量生产，且成本低廉，已广泛的被运用于相关光电产业之产品上。 菲涅耳透镜的表面就像排列了许多小稜镜，每个稜镜角度经过设计后使其可以将光源聚集在某范围裡，表面就像锯齿形状的同心圆一般。其原理是将传统的凸透镜或是非球面透镜的曲面切割，将其平移至同一平面上，减少厚度。效果与凸透镜的聚光效果一致，虽然没有凸透镜可以聚集成像的优点，但可以将聚光的优点加以应用，也称为非成像式透镜 [1]。 在油价及能源的不断飙涨之下，相关再生能源的研究也随之增加，太阳能电池也是其中之一。台湾以硅岛著称，因此在相关的硅芯片的研究上也已有相当水平，但目前实验用最好的太阳能硅芯片，其最好的光电转换效率约28~35%之间，仍显不足，在无更新或较高转换效率的其他主体材料取代时，辅以模块化技术(如图2)以增加转换效率，势在必行。 而在收集太阳能方面，可利用有聚焦效果的光学透镜，将光线聚集在一点产生高温热量。一般来說，最常用则是凸透镜。不过，未来要使史特靈引擎发电量增加，相对上在收集更多的太阳能量，而增加收集的太阳能量则会增加透镜面积。一旦收集太阳能的透镜面积越大，则中央凸透镜厚度则会加大，如此一来会增加透镜重量，变成整体发电系统与追日系统的负担。欲达成减少透镜重量的目的，又要保持好的聚焦效果，菲涅耳透镜(Fresnel lens)设计是一个最有可能的聚焦装置，目前引起许多研究者的兴趣。 本研究主要是以超精密单点钻石车削方式来探讨加工参数(切削深度、进给速率、主轴转速)对菲涅耳透镜(Fresnel lens)模仁之表面粗糙度与微结构深度之影响。
图 1 平面式Fresnel 透镜
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