臺灣博碩士論文加值系統

螳螂蝦甲殼類動物具有任何動物裡最複雜的視覺感受器官[1]，具有12種色彩辨識視覺感官細胞[2]，這種生物獨有的視覺感官特性，可以衍生的仿生應用於面板顯示器，光感測器等。
顯示器的色域限制源自於高純度光源的組合不易，要產生視覺的全光域色彩，需要可見光範圍的單頻光或高純度光源的相互調色搭配。本研究採用一維光子晶體結構全反射與共振穿透的科學原理，設計製作高純度的彩色濾光片，並且利用穿透光的入射角變化，產生各種顏色的高純度穿透光，其色度座標可以涵蓋全光域最外圍；組合高純度穿透光的濾光片，我們創造出全光域的色彩。高純度彩色的濾光片，由一維光子晶體結構的截止片(長波通或短波通)以及雙共振腔窄帶濾光片所組成，一維光子晶體的薄膜製作是採用反應式濺鍍法，膜層成分為高折射率的攙鈮二氧化鈦與低折射率的氧化矽。
設計三種不同波長的高純度彩色濾光片，控制光強度變化以及光入射角度變化，創造出色度座標CIE 1931上任意座標上的色彩。簡易的全光域色彩調色法與高濺鍍率且環保的製程，非常適合於未來的實際應用。

The color gamut of the display is limited by the combination of high purity light sources. To produce the full gamut of vision color, it is needed for the visible light range of single-frequency light or high-purity light source tuning into each other. In this study, with a one-dimensional photonic crystal structure, we employed the total reflection and resonance transmission to design and produce the high purity color filters. And using the incident angle changes of light, we achieved in a variety of colors of high purity penetrating light, which chromaticity coordinates can cover the most peripheral coordinates of the entire color gamut. The high-purity color filters were composed of the cut-off filters (long wavelength or short wavelength pass) and dual-resonant-cavity narrow bandpass filters with one-dimensional photonic crystal structures. One-dimensional photonic crystal filters were produced by the rotational sequential sputtering method, the film compositions were Nb-doped TiO2 of a high refractive index and SiOx of a low refractive index. The coloring method of full-color gamut with high-purity color filters is simple. The environmentally friendly process of rotational sequential sputtering with high sputtering rate is very suitable for the future practical application.

明志科技大學碩士學位論文口試委員審定書 i
中文摘要 ii
ABSTRACT iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 x
第一章 前言 1
第二章 理論介紹 4
2-1. 一維光子晶體 5
2-2. 缺陷設計的一維光子晶體 6
第三章 實驗介紹 8
3-1. 高純度濾光片的設計概念 8
3-2. 實驗設備 10
第四章 一維光子晶體的全反射 12
4-1 TNO/SiOx材料特性 12
4-1-1 折射率建立及濺鍍速率 12
4-1-2 消散係數比對 14
4-2 全反射光譜的影響因素 15
4-2-1 膜厚對反射光譜的影響 16
4-2-2 消散係數對反射光譜的影響 17
4-2-2 光入射角對反射光譜的影響 18
4-3 長波通 19
4-3-1 長波通設計 19
4-3-2 長波通樣品製作分析 20
4-4 短波通 22
4-4-1 短波通設計 22
4-4-2 短波通樣品製作分析 23
第五章 一維光子晶體的共振穿透 26
5-1 單共振腔濾光片 26
5-1-1 不同共振穿透波長的窄帶濾光片設計 26
5-1-2 影響單共振穿透的因素-膜厚、消散係數、光入射角、介面 27
5-1-3 單共振腔濾光片樣品製作分析 30
5-2 雙共振腔濾光片 34
5-2-1 雙共振腔濾光片設計-不同共振腔厚度 34
5-2-2 雙共振腔濾光片樣品製作分析 35
5-3 多共振腔濾光片 37
5-3-1 雙邊界為空氣-多共振腔濾光片設計 37
5-3-2 雙邊界為玻璃-多共振腔濾光片設計 38
第六章 全色域的調色應用 39
6-1 高純度彩色濾光片 39
6-1-1 高純度濾光片設計 39
6-1-2 高純度濾光片-光入射角影響 42
6-1-3 高純度濾光片製作量測分析 46
6-2 創新的全色域調色構想 47
6-2-1 高色彩飽和度的調控法 47
6-2-2 不同色彩飽和度的調控法 48
第七章 結論 50
參考文獻 52


圖目錄
圖1.1 顯示器的發展三原色至四原色 1
圖1.2 LED七種顏色對應色度座標 2
圖1.3 全光域高純度彩色濾光片 3
圖1.4 不同色彩飽和度的調控法 3
圖2.1 (A)圖為一維光子晶體建設性反射，(B)圖為破壞性反射的共振穿透式意圖 4
圖2-1.1 周期膜層數目對一維光子晶體反射率的影響 5
圖2-1.2 光子晶體能係 6
圖2-2.1 缺陷設計的一維光子晶體 7
圖3-1.1高純度(650 nm)帶通濾光片設計模擬(A)為窄帶濾光片,(B)為長波通截止片,(C)為高純度可調色帶通濾光片 9
圖3-2.1 濺鍍設備意圖 11
圖3-2.2 紫外光/可見光分光光譜儀 11
圖4-1.1 Sample-A及Sample-B穿透率與反射率量測結果 12
圖4-1.2 TNO薄膜折射率建立 13
圖4-1.3 TNO與 SIOX薄膜折射率與實驗值模擬比對結果 14
圖4-1.4 長波通T50%-538 nm樣品 15
圖4-2.1 一維光子晶體全反射光譜的影響因素-不同層數 16
圖4-2.2 一維光子晶體全反射光譜的影響因素-膜厚差 17
圖4-2.3 一維光子晶體全反射光譜的影響因素-消散係數 18
圖4-2.4一維光子晶體全反射光譜的影響因素-光入射角 19
圖4-3.1 以波長470 nm設計的1DPCs做消波形成LPF T50% 561.5 nm 20
圖4-3.2 長波通設計光譜 20
圖4-3.3 長波通T50%-519 nm實驗與模擬結果 21
圖4-3.4 長波通T50%-610 nm實驗與模擬結果 22
圖4-4.1 以波長750 nm設計的1DPCs做消波形成SPF T50% 632.5 nm 23
圖4-4.2 短波通設計光譜 23
圖4-4.3 短波通濾光片T50%-499 nm實驗與模擬結果 24
圖4-4.4 短波通濾光片T50%-499 nm實驗與模擬結果 25
圖5-1.1 不同共振穿透波長的窄帶濾光片設計 26
圖5-1.2 影響單共振穿透的因素-膜厚 27
圖5-1.3影響單共振穿透的因素-消散係數 29
圖5-1.4 影響單共振穿透的因素-光入射角 30
圖5-1.5 NPF-480 nm 13 Layers樣品 30
圖5-1.6 NPF-500 nm 13 Layers樣品 31
圖5-1.7 NPF-550 nm 13 Layers樣品 32
圖5-1.8 NPF-600 nm 13 Layers樣品 33
圖5-1.9 NPF-650 nm 13 Layers樣品 34
圖5-2.1 模擬雙共振腔中間層膜厚為4倍及6倍差異光譜圖 35
圖5-2.2 雙共振腔NPF-485 nm 15 Layers樣品光譜 36
圖5-2.3雙共振腔NPF-530 nm 15 Layers樣品光譜 36
圖5-3.1 多共振腔濾光片設計-雙邊界為空氣 37
圖5-3.2多共振腔濾光片設計-雙邊界為玻璃 38
圖6-1.1 高純度濾光片設計 39
圖6-1.2 550 nm單共振腔濾光片設計 40
圖6-1.3 (A)長波通濾光片Long Pass Filter(LPF)-T50%-511 nm光譜,(B)短波通濾光片Short Pass Filter(SPF)-T50%-591 nm光譜,(C)LPF-T50%-511 nm與SPF-T50%-591 nm光譜相加 41
圖6-1.4高純度彩色濾光片設計-波長550 nm 42
圖6-1.5 高純度彩色濾光片設計-波長550 nm 轉角度 45
圖6-1.6 高純度彩色濾光片模擬結果-全色域 45
圖6-1.6 高純度彩色濾光片光譜-全色域 46
圖6-1.6 (左)高純度彩色濾光片光譜(self-normalized, (右)CIE1931色度座標-全色域 47
圖6-2.1高色彩飽和度的調控法 48
圖6-2.1不同色彩飽和度的調控法 49


表目錄
表3-1.1 NPF及LPF設計的膜層厚度參數 9
表4.1 建立TNO薄膜製程參數 12

(1) 摘要
(1) Thomas W. Cronin, Michael J. Bok, N. Justin Marshall, Roy L. Caldwell, Filtering and polychromatic vision in mantis shrimps: themes in visible and ultraviolet vision, Phil. Trans. R. Soc. B, 2014, 369 (1636)
(2) ReefNet, Mantis Shrimp Eye Structure and Function,1994
(2) 前言
(1.1) David W. Cunningham, Lighting apparatus for producing a beam of light having a controlled luminous flux spectrum, US 6683423 B2, 2004.01.27
(1.2) 李正中。薄膜光學與鍍膜技術(第八版)。2016。新北市：藝軒
(2) 理論介紹
(2.1) Fink Y., Winn J.N., Fan S.H., A Dielectric Omnidirectional Reflector, IENCE. 1998, 282, 1679-1682.
(2.2) Lee H.Y., Yao T., Design and evaluation of omnidirectional one-dimensional photonic crystals, J. Appl. Phys. 2003, 93, 819-830.
(2.3) Xi J.Q., Kim J.K., Distributed Bragg reflector consisting of high- and low-refractive-index thin film layers made of the same material, APPLIED PHYSICS LETTERS. 2007, 90, 141115.
(2.4) M. Deopura, C. K. Ullal, B. Temelkuran, Y. Fink, Dielectric omnidirectional visible reflector, OPTICS LETTERS, 2001,26 (15), 1197-1199
(2.5) S. K. Srivastava, OMNIDIRECTIONAL REFLECTION BANDS IN ONE-DIMENSIONAL PHOTONIC CRYSTAL STRUCTURE USING FULLERENE FILMS, Progress In Electromagnetics Research. 2007,PIER 74, 181–194.
(2.6) Srivastava, S. K. and S. P. Ojha, “Reflection and anomalous behavior of refractive index in defect photonic band gap structure,” Microwave and Opt. Technol. Lett. 2003, 38, 293–297.
(4) 一維光子晶體的全反射
(4.1) Naoomi Yamada, Taro Hitosugi, Ngoc Lam Huong Hoang, Yutaka Furubayashi, Yasushi Hirose, Seiji Konuma, Toshihiro Shimada, Tetsuya Hasegawa, Structural, electrical and optical properties of sputter-deposited Nb-doped TiO2 (TNO) polycrystalline films, Thin Solid Films. 2008, 516 (17), 5754–5757.
(4.2) D.N. Chigrin, A.V. Lavrinenko, D.A. Yarotsky, S.V. Gaponenko, Observation of total omnidirectional reflection from a one-dimensional dielectric lattice, Appl Phys A. 1999, 68 (1), 25-28.
(4.3) S. K. Srivastava, S. P. Ojha, Omnidirectional reflection bands in one-dimensional photonic crystal structure using fullerene films, Prog Electromagn Res. 2007, 74, 181-194.
(5) 一維光子晶體的共振穿透
(5.1) Jinan Xia, Enhancement of second harmonic generation in one-dimensional nonlinear photonic-crystal microcavities, Optics Express, 2009, 17, 20069-20077.