- 回首頁
- 機械工業雜誌
- 歷史雜誌
歷史雜誌
購物提醒：當您要離開或跳轉頁面時，請先將您想要購買的文章加入購物車，以便快速紀錄完成購買流程!
摘要
本研究提出一種可於常壓環境下進行之非接觸式微能量束精微拋光技術，具備奈米級面形修整能力。透過反應性氣體在射頻激發下產生高反應性物種與材料交互作用，實現材料的選擇性去除與無應力加工。系統整合即時面形量測與回饋機制，並搭配自建修整路徑演算法，可針對非球面與自由曲面光學元件進行高精度修整，達成面形誤差 <λ/10與表面粗糙度Ra~1 nm。特別適用於高精度光學鏡片製程中後段之精密加工需求，展現其在精密光學製造領域的高度適應性與技術潛力。
Abstract
This article presents a novel non-contact, micro-energy beam ultra-precision polishing technique operable under atmospheric conditions, enabling nanometer-scale surface form correction. By activating reactive gases through radio-frequency excitation, highly reactive species are generated to selectively interact with the material surface, achieving stress-free material removal. The system integrates in-situ surface metrology and real-time feedback control, combined with a custom-developed path planning algorithm. It is capable of high-precision corrective processing on aspheric and freeform optical components, achieving surface form accuracy better than λ/10 and surface roughness as low as Ra ~1.0 nm. This approach is particularly suited for the mid-to-final stages of high-precision optical lens fabrication and demonstrates strong potential for advanced applications in precision optical manufacturing.
前言
全球高階光學市場持續擴張，依據InsightAce Analytic的市場報告指出，2024年精密光學市場規模約為290億美元，預計至2034年將成長至約929億美元，2025-2034年均成長率達12.7%[1]。推動此成長的關鍵動能，來自於半導體產業對高解析度光學模組的高度需求，特別是在曝光系統、量測設備、先進成像與通訊領域，對於非球面與自由曲面等複雜面形光學元件的精度要求日益嚴苛。然而，這些元件的製造過程仍面臨諸多挑戰，特別是在面形精度與次表面損傷品質方面。
在光學元件製造中，傳統的拋光技術如機械拋光 (Mechanical Polishing, MP) 與化學機械拋光 (Chemical Mechanical Polishing, CMP) 長期被廣泛應用，具備設備簡單、操作成熟的優點，能有效應用於玻璃、金屬等材料。傳統濕式球面拋光工藝雖具效率，但無法精確掌握非球面或自由曲面透鏡的最終形貌，常需藉由機械與人工方式進行局部修整，以提升精度，或採用需要高自由度、高精度的局部修整技術，如電腦控制拋光 (Computer Controlled Polishing, CCP) [1]。然而此類接觸式加工仍有可能引入新的形貌偏差與加工應力，使得精度控制與再現性困難，並限制了可量產性。此外，鏡片表面經多次修整後，即使達到幾何規格，仍可能存在小於1 μm的殘餘形狀誤差與次表層損傷 (Sub Surface Damage, SSD)，在高功率雷射、紫外照射或極端環境條件下易誘發裂紋或破壞，影響系統穩定性與壽命。
為克服上述限制，近年來發展出數種非接觸式先進拋光技術。包含離子束面形修整技術 (Ion Beam Figuring, IBF) 以高能離子束實現原子級材料移除，能達到極高的形貌精度[3]；流體噴射拋光 (Fluid Jet Polishing, FJP) 透過高壓含磨料噴流進行加工，能適應自由曲面與柔性材料[4]；磁流拋光 (Magnetorheological Finishing, MRF) 結合了非接觸加工與可調節的剪切力特性，透過磁場控制含磁性磨料的懸浮液流變性質，達到微米至奈米級的可控材料移除[5]；雷射拋光 (Laser Polishing, LP) 利用雷射熔融達到表面平整化[6]等等技術。
本研究提出一種創新之非接觸式微能量束表面修整技術，具備可在常壓、大氣環境下運行之特性，突破傳統IBF須在高真空環境中進行之限制，大幅降低設備建置與維護成本。該技術利用射頻激發反應性氣體生成高反應性物種，藉由物理與化學反應移除表面材料，達成無應力、非接觸式的局部修整。系統整合即時面形量測與修整路徑演算法，實現動態回饋加工控制，具備面形誤差<λ/10、表面粗糙度Ra~1 nm之能力，特別適用於高精度光學晶體、先進成像元件與半導體光學模組等製程後段之精密加工需求。此技術為當前超精密光學製造領域提供一具備高適應性與擴展性的關鍵解決方案。
微能量束本體結構
微能量束設計圖剖面及實體圖如圖1所示，噴嘴具有兩個流道，分別為中央製程氣體導入口以及環繞製程氣體周圍的環境控制保護氣體兩氣體流道，中央氣體流道銜接至製程氣體供應端，主要維持電漿產生的氣體為氬氣，而反應氣體則包含氧氣、含氟氣體等，氣體供應以精密氣體質量流量計控制；而保護氣體以氮氣及空氣為主；中央氣體流道流經上下電極，電漿產生後由下方的出口導出；保護氣體流道則流經上電極以及接地電極，接地電極具有多孔結構，具氣體分流功能，作為控制保護氣體的出口，可在中央製程氣體流道周遭產生氣幕，降低外界氣氛干擾；此外，保護氣體因流經上下電極及主流道，因此具有降溫的功能，配合上電極內藏水冷流道的設置，可使裝置可長時間穩定運作。
上電極銜接射頻電源輸出端，為可移動式設計，可調整上電極以及接地電極的間距，用以調整電漿產生的狀態。電源供應器採用ADVANCED ENERGY CESAR RF power generator，輸出頻率13.56MHz、最高輸出功率600 W；射頻電源供應器供應給微能量束，可使氣體解離產生可與鏡片表面產生化學反應性自由基和其他高反應性物質（如氟自由基、氧自由基、帶電粒子等）的微能量束，能量束產生實體如圖2；微能量束所產生的物種撞擊表面並與材料反應形成高揮發性化合物，達到鏡面修整的效果，氟系氣體離子化後撞擊固態Si材料形成氣態反應物的主反應式為SiO2(s)+CF4(g)→SiF4(g)+SiF2(g)+CO(g)+CO2(g) +COF2(g)+SiOF2(g)+O2(g)
更完整的內容歡迎訂購
2025年09月號
(單篇費用：參考材化所定價)