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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:郭明蒼
研究生(外文):Ming-Tzung Kuo
論文名稱:低電壓之壓電驅動膜片可變焦液態透鏡結合UV凸透鏡之研究
論文名稱(外文):Research of combining variable focus lens with liquid and filled UV curing glue convex lens using low power piezoelectric driving membrane
指導教授:楊錫杭
指導教授(外文):Hsi-harng Yang
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:精密工程學系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:微機電系統技術鎳壓電片塑膠墊片UV膠透鏡
外文關鍵詞:UV curing glue lensiezoelectricity piecesMEMS (Microelectromechanical System)thin plastic film
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本論文在敘述製作低電壓式驅動之液態變焦透鏡的方法,利用微機電系統技術(MEMS)中的LIGA–like技術作出變焦透鏡之本體結構。針對驅動方式,本文利用延展性佳的鎳壓電片作為驅動主體,其中為了提升驅動電壓之效益,在壓電片上方黏貼一長16 mm,寬15mm,厚度為0.11mm,中間挖孔(直徑9mm)之塑膠墊片,使驅動電壓降為原先三分之一,於施加電壓0~60V下,焦距變化達到12~32mm。於此之後根據變焦效果的需要,利用UV膠透光性佳、成本低,將UV膠滴定於透鏡腔體中,形成一凸透鏡,藉由變焦透鏡與UV膠透鏡結合,焦距變化達到8.3~24.5mm範圍的低焦距效果。
The research is to describe about method with low power Piezoelectricity for fabricating variable focus plan-convex convex liquid lens, using LIGA-like in MEMS (Microelectromechanical System) to fabricate the main body structure of the variable focus lens. For driving type, the nickel piezoelectricity piece which has the good ductility was used. To promote the efficiency of the driving voltage, after piezoelectricity piece bonded, increases a hollow plastic film, which is the top 16 mm, 15 mm width, thickness of 0.11 mm and 9 mm diameter intermediate hollowing out, above the piezoelectricity piece, and causes the driving voltage to reduce 1/3 than that has no plastic film. With driving voltage 0~60V, liquid variable focus lens achieves 12~31mm the focal distance range variation. According to range of the focal distance, dropping UV glue which is crystalline and unexpensive into lens cavity with UV rays, and then forms as soon as solidifies the convex lens. Combining UV curing glue convex lens and variable focus lens, the focal distance range achieves the 8.3~24.5 mm low focal distance effect.
目錄
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 緒論 1
一、 研究之背景 1
二、研究動機 2
三、 研究方法與目標 2
四、 論文架構 3
第二章 文獻回顧 4
一、壓力變化方式 4
二、電濕潤變焦技術(ELECTROWETTING) 9
三、熱致動變化方式 13
四、液晶變焦系統 13
五、其他變焦方式 16
第三章 基本理論 18
一、折射定率 18
二、厚透鏡之光學系統 19
三、透鏡組之光學 21
四、自動對焦公式 21
五、接觸角與曲率半徑 22
六、驅動體積關係式 23
第四章 膜片可變焦液態透鏡之設計與製作 25
一、前言 25
二、結構設計與分析 25
三、膜片可變焦液態透鏡製程 25
(一)黃光微影(Photolithography) 29
(二) PDMS翻模製程 37
(三)液體注入及密封 40
(四)變焦液態透鏡之驅動器 40
第五章 實驗結果與分析 43
一、結構量測 43
(一)光阻、PDMS結構和透鏡薄膜量測 43
(二)壓電片量測 45
(三)變焦薄膜之接觸角、曲率半徑和有效焦距量測 49
(四)利用其他方式量測變焦透鏡薄膜 56
(五) UV透鏡參數量測 58
二、光學模擬 61
三、結合鏡組作成像測試 70
(一)結合CCD固定焦距拍攝 70
(二)結合CMOS晶片之數位影像擷取拍攝 72
第六章 結論及未來展望 78
一、結論 78
二、未來展望 79
參考文獻 80
附錄A 製程儀器設備 82
附錄B 量測儀器設備 85
附錄C 實驗數據參考 89

表目錄
表2.1 變焦透鏡種類 4
表2.2 各式可變焦透鏡之比較 17
表3.1 符號說明表 20
表4.1 微影製程上層結構參數設定 36
表4.2 微影製程下層結構參數設定 37
表5.1 輪廓量測結果數值表 43
表5.2 不同電壓下之壓電片真實位移量 46
表5.3 不同電壓下之壓電片位移量(黏貼上致動薄膜) 47
表5.4 未黏貼薄膜與有黏貼薄膜的連續電壓與位移量數值表 48
表5.5 光學性能量測數值表 50
表5.6 共軛聚焦顯微鏡量測的透鏡膨脹高度以及曲率半徑 57
表5.7 不同量測儀器量得膨脹高度 57
表5.8 UV凸透鏡的量測參數值表 60
表5.9 複合透鏡的有效焦距數值表 69
表B.1 3D共軛焦顯微鏡量測系統 85
表B.2 3D表面輪廓儀主要規格: 88
表C.1 UV透鏡曲線曲線座標與理想圓比較表........................................................89

圖目錄
圖2.1 可變焦透鏡流程示意圖 5
圖2.2 可變雙凸或雙凹透鏡 5
圖2. 3 PDMS微透鏡陣列製程示意圖 6
圖2.4 微流體晶片結構剖面圖 6
圖2.5 可變微偶極透鏡陣列的製作程式 7
圖2.6 微偶極透鏡的基本運作原理 8
圖2.7 微透鏡製程示意圖 8
圖2.8 變焦液體透鏡示意圖與實際運用圖 9
圖2.9 (A)-(B)液體電濕潤透鏡的側面圖,其中上下兩層是玻璃;(C)-(E)直徑6 MM 透鏡施予電壓為0,100和120V 9
圖2.10 作動原理的解析圖 10
圖2.11 施加電壓液體曲面變化;(A) 0V,(B) 20V,(C) 30V,(D) 40V 11
圖2. 12 液態透鏡的裝置概要圖;(A)結構的側面圖,(B)結構的上視圖 12
圖2.13 液態透鏡的液滴外形,小滴容量約7 ΜL ,電極為透明;(A)MICROLENS 在初始狀態,(B) 45V 的電壓於所有四個電極 12
圖2.14 熱致動式可變焦透鏡 13
圖2.15 液晶微透鏡示意圖和兩種不同控制狀態 14
圖2.16 非均勻電場施加在非均勻液晶材料上 14
圖2.17 非均勻電場施加在均勻液晶材料上 15
圖2.18 圓柱狀變焦透鏡 15
圖2.19 液晶滴透鏡的概要圖;(A)液晶透鏡變形,(B)為寬50ΜM與間距50ΜM的同心圓ITO電極設計 16
圖2.20 透鏡製作流程 16
圖3.1 光線折射路徑………………………………………………………………..18
圖3.2 厚透鏡之幾何關係圖 19
圖3.3 物體移動之關係圖 21
圖3.4 半球內R與H之關係圖 22
圖3.5 體積計算示意圖 24
圖4.1 膜片可變焦液態透鏡設計示意圖..................................................................25
圖4.2 上層光阻結構製造 26
圖4.3 下層光阻結構製作 27
圖4.4 PDMS翻模成變焦液態透鏡之主體 28
圖4.5 液體注入、密封和壓電片黏貼 29
圖4.6 微影的流程 29
圖4.7 驅動腔體和流道之光罩 30
圖4.8 透鏡腔體之光罩 30
圖4.9 正負光阻示意圖 31
圖4.10 轉速與厚度關係圖 31
圖4.11 軟烤示意圖 33
圖4.12 曝光系統方式;(A)接觸式,(B)近接式,(C)投影式 34
圖4.13 PDMS翻模與接合流程圖 38
圖4.14 UV固化透鏡實體圖 39
圖4.15 塑膠墊片 41
圖4.16 圓盤型壓電片工作示意圖(逆壓電效應) 42
圖4.17 圓盤型壓電片尺寸設計圖 42
圖4.18 液態變焦透鏡實體結構 42
圖5.1 壓電片實際位移量測圖……………………………………………………..45
圖5.2 壓電片實際位移曲線圖 46
圖5.3 壓電片黏貼上致動薄膜上之位移曲線圖 47
圖5.4 壓電片實際位移和黏貼於致動薄膜上之位移比較圖 48
圖5.5 未黏貼薄膜的連續電壓與位移量關係圖 49
圖5.6 接觸角量測裝置圖 50
圖5.7 電壓-接觸角關係曲線圖 53
圖5.8 接觸角-曲率半徑關係曲線圖 53
圖5.9 電壓-有效焦距關係曲線圖 54
圖5.10 電壓與接觸角曲線比較 55
圖5.11 電壓與曲率半徑曲線比較 55
圖5.12 電壓與有效焦距曲線比較 56
圖5.13 量測液態變焦透鏡表面儀器圖;(A)搭配共軛聚焦顯微鏡拍攝,(B)試片近拍 57
圖5.14 不同儀器下,電壓與膨脹高度關係 58
圖5.15 3D表面輪廓圖(直徑為2.5MM) 59
圖5.16 2D表面輪廓,RA=0.57ΜM,UV透鏡厚度為180.25ΜM 59
圖5.17 UV透鏡2D表面曲線與理想圓球面2D曲線比較 60
圖5.18 不同曲率半徑的UV透鏡試片(已鍍上銀作為量測的反射層) 60
圖5.19 UV凸透鏡的體積與曲率半徑關係圖 61
圖5.20 複合透鏡(UV凸透鏡+液態變焦透鏡)示意圖 62
圖5.21 使用純水(N=1.33)於不同電壓造成不同薄膜曲率半徑下,結合UV透鏡焦距(5.65 MM)之有效焦距模擬結果;(A)0V,(B)5V,(C)10V,(D)15V,(E)20V、(F)25V,(G)30V,(H)35V,(I)40V,(J)45,(K)50,(L)55V,(M)60V 68
圖5.22 複合透鏡的電壓與有效焦距曲線圖 69
圖5.23 成像測試裝置圖;(A)拍攝設備,(B)圖像近拍 70
圖5.24 結合CCD在固定位置的影像;拍攝(A)0V、(B)20V、(C)40V、(D)60V 71

圖5.25結合筆電上的CMOS成像測試裝置圖;(A)整體裝置圖,(B)CMOS結合 72
圖5.26 物體固定位置之影像拍攝;(A)0V,(B)10V,(C)20V,(D)30V,(E)40V,(F)50V,(G)60V 73
圖5.27 相對位置的物體“F”兩者前後相距8MM 74
圖5.28 物體相對位置之影像拍攝;(A)0V,(B)10V,(C)20V,(D)30V,(E)40V,(F)50V,(G)60V 75
圖5.29 小玩偶實體圖(長:2.5CM,寬:1.5CM,高:2.5CM) 76
圖5.30 小玩偶的影像變化;(A)0V,(B)30V,(C)60V 77
圖A.1 化學清洗槽.....................................................................................................82
圖A.2 旋轉塗佈機 82
圖A.3 光罩對準機 83
圖A.4 加熱平臺 83
圖A.5 真空烤箱 84
圖A.6 超音波顯影機 84
圖B.1 動態表面張力儀……………………………………………………………..85
圖B.2 3D共軛焦顯微鏡 86
圖B.3 多功能電源供應器圖 87
圖B.4 雷射位移計設備圖 87
圖B.5 3D表面輪廓儀設備圖 88
1.行政院國家科學委員會,微機電系統技術與應用,民國92年7月。
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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