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研究生: 羅國卿
Lo, Kuo-Ching
論文名稱: 可電控之Fresnel透鏡於聚合物-液晶合成物薄膜之研究
Electrically controllable Fresnel lenses in polymer-liquid crystal composite films
指導教授: 李佳榮
Lee, Chia-Rong
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 電機工程學系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 64
中文關鍵詞: 液晶透鏡繞射效率Fresnel透鏡
外文關鍵詞: Fresnel lens, Diffraction Efficiency, Photoconductive, LC lens
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  • 本論文是利用液晶來做成Fresnel透鏡[1],液晶透鏡是一個很未來性的研究;一般的傳統固態鏡頭組需要比較大的驅動電流以及聚焦程度不可調控等先天條件,因此我們利用液晶來作為透鏡,可以利用液晶本身的雙折射性以及可利用電壓來驅動液晶分子導軸來調制聚焦效率。因此本論文期望以新的結構做出光電場偏振方向無關以及低操作電壓的液晶透鏡。

    論文中第一部分:所做的液晶樣品A為水平配向結構,因此我們可以利用不同電場偏振方向的入射光或是外加電壓的方式來調控液晶盒的折射率,來調控有無聚焦。

    論文中第二部分:所做的液晶樣品B為上基板為垂直配相,下基板為同心圓的水平配向,因此我們可以利用外加電壓的方式來調控液晶盒的折射率,所以在第二部分所做的液晶透鏡是可利用不同外加電壓來調控有無聚焦而且因為同心圓配向的關係所以與入射光的偏振無關,而且每單位m之操作電壓範圍是目前與偏振無關之LC Fresnel Lens 中最佳的。

    We have demonstrated two types of electrically controllable LC Fresnel lenses based on liquid crystal-polymer composite films in this thesis.

    First experiment:
    This experiment elucidates a Fresnel lens using a simple approach that is based on a homogeneously aligned liquid crystal (LC) film with a preformed polymer relief pattern. Experimental results demonstrate that the LC Fresnel lens has polarization-dependent and electrically switchable focusing features. The LC lens has the further advantages of a weak operated field, and high diffraction efficiency.

    Second experiment:
    This experiment reports a Fresnel lens in a circularly-symmetric hybrid-aligned liquid crystal (LC) film with a photoconductive polymer layer. An ultraviolet-induced electrode-like pattern of polymer layer under a zone-plate photomask results in alternate unscreened and screened effects of an applied dc-field at conductive and nonconductive regions, respectively. These effects cause a discrepancy of LC reorientation in adjacent zones and in turn generate a Fresnel lens. The focusing of the lens is demonstrated electrically-controllable and polarization-independent. Furthermore, the lens has advantages of an zero-focusing in voltage-off state and a very small operated dc-field range from 0 - 0.3 V/um.

    摘要……………………………………………………………………Ⅰ Abstract………………………………………………………………Ⅱ 誌謝……………………………………………………………………Ⅲ 目錄……………………………………………………………………Ⅳ 圖目錄…………………………………………………………………Ⅶ 第一章 緒論及液晶介紹 1 1.1緒論 1 1.2液晶簡介 1 1.3 液晶的分類 5 1.3.1桿狀液晶 6 1.3.2盤狀液晶 8 1.4 液晶的特性 10 1.4.1液晶的光學異向性 11 1.4.2液晶的介電異向性 15 1.4.3溫度對液晶的影響 18 1.4.4 液晶的連續彈性體理論 18 1.4.5 Freedericksz Transition 20 第二章理論 21 2.1 聚合物反應過程 21 2.2 Fresnel Zone Plate 23 第三章 實驗準備及架設 30 3.1 實驗材料介紹 30 3.1.1 向列型液晶E7 30 3.1.2 高分子聚合物NOA81 31 3.1.3 聚乙烯(咔)唑(Poly(vinyl carbazole))介紹 33 3.2 樣品製作流程 34 3.2.1 ITO玻璃清洗 35 3.2.2(A) 樣品A --ITO玻璃表面處理 36 3.2.2(B) 樣品B --ITO玻璃表面處理 39 3.2.3 液晶填充 42 3.2.4 樣品檢測 43 第四章 實驗架設與量測分析 45 4.1 樣品在不同偏振下的量測 45 4.1.1A 樣品A在不同偏振下的電壓量測 46 4.1.1B 樣品B在不同偏振下的電壓量測 50 4.2聚焦強度的分佈量測 53 4.2.1A 樣品A聚焦強度的分佈量測 53 4.2.1B 樣品B聚焦強度的分佈量測 55 4.3放置Mask後的圖形量測 56 4.3.1A樣品A放置Mask後的圖形量測 57 4.3.1B樣品B放置Mask後的圖形量測 59 第五章結論以及未來展望 61 5.1 結論 61 5.2未來展望 62 參考文獻 63 圖目錄 圖1.1.1 液晶物質之相變情形示意圖 3 圖1.1.2 熱致型液晶分子排列結構示意 4 圖1.2.3 溶致型液晶分子排列結構示意 5 圖1.3.1 熱致型液晶分類圖 6 圖1.3.2 向列型液晶分子排列結構示意圖 7 圖1.3.3 層列型液晶分子排列結構示意圖 7 圖1.3.4 膽固醇型液晶分子排列結構示意圖 8 圖1.3.5 圓柱相液晶分子排列結構示意圖 9 圖1.3.6 向列相液晶分子排列結構示意圖 10 圖1.4.1 (a)正單光軸(b)負單光軸液晶折射率面 12 圖1.4.2 正單光軸晶體之折射率橢圓球 13 圖1.4.3 不同線偏振的入射光所感受到之液晶折射率(a)平行光軸(b)垂直光軸(c)與光軸夾θ角 14 圖1.4.4 兩道相互正交的線偏振光合成後所呈現之偏振狀態 14 圖1.4.5 (a) ;(b) 液晶在電場中的扭轉示意圖 17 圖1.4.6典型nematic液晶之折射率與溫度之關係 18 圖1.4.7 Nematic液晶的三種可能形變 19 圖2.1 加成聚合物反應過程的三階段圖 22 圖2.2.1 平面孔洞的夫瑞奈繞射示意圖 24 圖2.2.2(a)奇數(b)偶數型夫瑞奈區板 25 圖2.2.3 聚合物雕刻 Fresnel lens示意圖 26 表3.1.1 液晶E7的四種組成液晶結構式 30 表3.1.2 液晶E7物化特性表 31 表3.1.3 NOA81聚合物在固化後之特性表 33 圖3.1.1 NOA81 聚合後的穿透頻譜 32 圖3.1.2 PVK 結構式 34 圖3.2.1 樣品製作程序圖 35 圖3.2.2 Polymer surface relief pattern玻璃基板的製作示意圖 38 圖3.2.3 Fresnel Zone週期性結構的polymer surface relief pattern 以及顯微鏡下之圖樣 38 圖3.2.4 (a)spacer放置 (b)樣品封邊空Cell製作示意圖 39 圖3.2.5 Fresnel zone of PVK film基板的製作示意圖 41 圖3.2.6 Fresnel Zone週期性結構的PVK樣品示意圖 41 圖3.2.7 (a)spacer放置 (b)樣品封邊空Cell製作示意圖 42 圖3.2.8 樣品的材料填充、製作及封邊 43 圖3.2.9 樣品A在(a)前後偏振片相互垂直下於顯微鏡下之圖樣及(b)液晶排向示意圖 44 圖3.2.10 樣品B在(a)前後偏振片相互垂直下於顯微鏡下之圖樣及(b)液晶排向示意圖 44 圖4.1.1 樣品在不同入射偏振量測圖 45 圖4.1.2 樣品A在外加電壓下0度入射偏振的繞射效率圖 47 圖4.1.3 聚合物導致液晶選轉角度不同示意圖 48 圖4.1.4 樣品A在偏振方向垂直Rubbing方向繞射效率量測圖 48 圖4.1.5 樣品B在不加電壓下樣品在不同偏振的繞射效率圖 49 圖4.1.6 樣品B在0~90度入射偏振下繞射效率圖 50 圖4.1.7 樣品B在前後偏振片(Polarizer)相互垂直的情況下,在偏光顯微鏡下的圖形 52 圖4.2.1 強度分佈量測實驗光路架設圖 53 圖4.2.2 樣品A強度分佈量測 54 圖4.2.3 樣品A在偏光顯微鏡前後偏振片垂直下的圖型 55 圖4.2.4 樣品B強度分佈量測 56 圖4.2.5 樣品B在偏光顯微鏡前後偏振片垂直下的圖型 56 圖4.3.1 樣品放置U型Mask 後的CCD示意圖 57 圖4.3.2 樣品A放置U型Mask光路架設量測 57 圖4.3.3樣品A放置U型Mask後的CCD圖形 58 圖4.3.4 樣品B放置U型Mask光路架設量測 59 圖4.3.5 樣品B放置U型Mask後的在25cm 處CCD圖形分別為(a)0V、(b)1V、(c)2V、(d)2.4V、(e)3V、(f)4V、(g)5V 60

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    下載圖示 校內:2010-08-01公開
    校外:2010-08-01公開
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