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研究生:劉峻豪
研究生(外文):Liu Chun-Hao
論文名稱:壓電式可變焦透鏡製作與應用
論文名稱(外文):Fabrication and Application of Piezoelectric Tunable Focal Length Lens
指導教授:馮國華馮國華引用關係
指導教授(外文):Feng GuoHua
口試委員:劉德騏林肇民
口試委員(外文):Liu D. S.Lin ChaoMing
口試日期:100/07/28
學位類別:碩士
校院名稱:國立中正大學
系所名稱:機械工程學系暨研究所
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:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:83
中文關鍵詞:環形壓電致動器聚二甲基矽氧烷可變焦透鏡陣列波前感測器
外文關鍵詞:ring piezoelectric actuatorPDMStunable microlens arraywavefront sensor.
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目前常見的可變焦液態透鏡的變焦驅動原理有利用液體壓力、電濕潤等等,不過通常利用液體壓力的變焦方式在驅動電源上通常是需要花費較大的驅動電源。而使用壓力作為驅動源的可變焦液態透鏡不外乎腔體與振動源這兩個結構。本研究利用環型壓電致動器中空的結構當作一腔體並且整合一光學性質良好的聚二甲基矽氧烷(PDMS)薄膜。將槽道與振動源兩個結構合而為一,除了壓電式可變焦液態透鏡的體積變小、減少了振動源在傳遞上的損失之外,也增加了壓電式可變焦液態透鏡在調變焦距時的反應時間。
本研究製作的壓電式可變焦透鏡直徑為3(mm),而在驅動電壓為12(V-pp)~60(V-pp)時,其有效的焦距變化範圍5.207(mm)~26.575(mm)。除了製作與分析壓電式可變焦透鏡之外,也將此壓電式可變焦透鏡的變焦機制套用在直徑為300um~500um且間隔為50um~200um的微透鏡陣列上成為壓電式可變焦透鏡陣列,最後將此可變焦微透鏡陣列應用於波前感測器。

Currently common tunable focus liquid lens are operated based on liquid pressure, electrowetting methods, etc. However, the large driving power is needed to tune the focus by liquid pressure approach. Basically, pressure –based tunable –focus lens include a chamber and a vibration source. This study combines a ring-type piezoelectric actuator and a PDMS membrane to form a novel tunable-focus liquid lens. It greatly decreases the dimension of lens and energy consumption of tuning focus, as well as the operation time of switching focus.
The diameter of the prototype tunable focus lens is 3mm. Its effective distance of tuning focus range from 5.207mm~26.575mm based on the operation voltage of 12Vppto 60Vpp. Besides fabricating the novel lens and analyzing its performance. The focus tuning mechanism is also applied to the micro-lens array, possessing 300-500μm diameter micro-lenses with 50μm-200μm spacing. This can be further applied to wavefront sensors.

目錄
第一章 緒論 11
1.1前言 11
1.2壓電材料簡介 12
1.3波前感測器簡介 13
1.4文獻回顧 15
1.5研究動機與目的 19
1.6論文架構 20
第二章 數值分析 21
2.1壓電效應之相關參數 21
2.2數值模擬分析 23
2.3數值分析模擬 25
2.3.1 環形壓電片模態分析 27
2.3.2環形壓電片與PDMS薄膜耦合振動模擬 34
第三章 壓電式可變焦透鏡製作與量測 40
3.1壓電式可變焦透鏡之設計 40
3.2壓電式可變焦透鏡之製作 41
3.3PINHOLE製作 42
3.4壓電式可變焦透鏡之曲面量測與模擬 43
3.5壓電式可變焦透鏡之溫度測試 46
3.6壓電式可變焦透鏡之多角度測試 48
3.7壓電式可變焦透鏡之變焦速率測試 50
3.8壓電式可變焦透鏡之成像結果測試 56
3.9 ZEMAX光學軟體模擬 61
第四章 可變焦微透鏡陣列製作與量測 65
4.1微透鏡陣列之設計 65
4.2微透鏡陣列之製作 66
4.2.1 SU-8上蓋模仁製作 66
4.2.2 PDMS薄膜製作 69
4.2.3 壓電致動器、SU8薄膜、PDMS薄膜整合 70
4.3可變焦微透鏡陣列之曲面量測 70
4.4可變焦透鏡應用於波前感測器 73
4.4.1波前感測器實驗架構 73
4.4.2 可變焦微透鏡陣列之應用 77
第五章 結論與建議 79
5.1結論 79
5.2建議 81
參考文獻 82
圖目錄
圖1.2- 1正壓電效應示意圖 12
圖1.2- 2逆壓電效應示意圖 13
圖1.3- 1波前感測器示意圖 14
圖1.3- 2(a)理想波前與(b)非理想波前 15
圖1.4- 1透鏡實體圖 15
圖1.4- 2製作流程圖 16
圖1.4- 3成像結果圖 16
圖1.4- 4成像結果圖 17
圖1.4- 5製作流程圖 17
圖1.4- 6液態透鏡 18
圖1.4- 7液態透鏡成像結果圖 18
圖1.4- 8液態透鏡變焦示意體 18
圖1.6- 1論文架構圖 20
圖2.1- 1座標軸與下標號碼的對應 22
圖2.3- 1元素SOLID5結構圖 25
圖2.3- 2模擬分析流程圖 26
圖2.3.1- 1網格化完成圖 28
圖2.3.1- 2模態一上視圖 29
圖2.3.1- 3模態一側視圖 29
圖2.3.1- 4模態一3D視圖 30
圖2.3.1- 5模態二上視圖 30
圖2.3.1- 6模態二側視圖 31
圖2.3.1- 7模態二3D視圖 31
圖2.3.1- 8模態三上視圖 32
圖2.3.1- 9模態三側視圖 32
圖2.3.1- 10模態三3D視圖 33
圖2.3.2- 1模態一上視圖 35
圖2.3.2- 2模態一側視圖 35
圖2.3.2- 3模態一3D視圖 36
圖2.3.2- 4模態二上視圖 36
圖2.3.2- 5模態二側視圖 37
圖2.3.2- 6模態二3D視圖 37
圖2.3.2- 7模態三上視圖 38
圖2.3.2- 8模態三側視圖 38
圖2.3.2- 9模態三3D視圖 39
圖3.1- 1 壓電式變焦透鏡設計圖 41
圖3.3- 1 顯微鏡下觀察PINHOLE 43
圖3.4- 1 壓電式可變焦透鏡之側視圖 43
圖3.4- 2 顯微鏡觀察透鏡曲率 43
圖3.4- 3 曲率模擬圖(一) 44
圖3.4- 4 曲率模擬圖(二) 45
圖3.5- 1 壓電致動器操作溫度 46
圖3.5- 2 可變焦透鏡液體之溫度 47
圖3.5- 3 溫度量測架構圖 47
圖3.6- 1 角度定義 49
圖3.6- 2 實驗架構圖 49
圖3.6- 3 (A) 180度、(B) 135度 49
圖3.6- 4 (C) 90度、(D) 45度 49
圖3.6- 5 0度 50
圖3.7- 1實驗架構圖 51
圖3.7- 2量測結果圖 52
圖3.7- 3 (A)原始影像 (B)銳化後影像 52
圖3.7- 4銳化處理流程圖 53
圖3.7- 5絕對平均誤差 54
圖3.7- 6相對平均誤差 55
圖3.7- 7相對最大誤差 55
圖3.8-- 1 成像示意圖 56
圖3.8-- 2 (A )輸入電壓1.5V、(B) 輸入電壓1.4V 58
圖3.8-- 3 (C) 輸入電壓1.3V、(D) 輸入電壓1.2V 58
圖3.8-- 4 (E) 輸入電壓1.1V、(F) 輸入電壓1.0V 58
圖3.8-- 5 (A)輸入電壓0.95V、(B)輸入電壓0.90V 59
圖3.8-- 6 (C) 輸入電壓0.85V、(D) 輸入電壓0.80V 60
圖3.8-- 7 (E) 輸入電壓0.85V、(F) 輸入電壓0.85V 60
圖3.9- 1 模擬光路圖 62
圖3.9- 2 (A) 輸入電壓3.0V之MTF圖、(B) 輸入電壓2.5V之MTF圖 62
圖3.9- 3 (C) 輸入電壓2.0V之MTF圖、(D) 輸入電壓1.5V之MTF圖 63
圖3.9- 4 (E) 輸入電壓1.0V之MTF圖、(F) 輸入電壓0.6V之MTF圖 63
圖3.9- 5 (A)輸入電壓3.0V、(B)輸入電壓2.5V 64
圖3.9- 6 (C) 輸入電壓2.0V、(D) 輸入電壓1.5V 64
圖3.9- 7 (E) 輸入電壓2.0V、(F) 輸入電壓2.0V 64
圖4.1- 1 製程光罩圖 66
圖4.4.2- 1輸入電壓為1VPP 77
圖4.4.2- 2輸入電壓為2VPP 77

表目錄
表2.3.1- 1PZT-5H壓電片參數 27
表3.3.2- 1PDMS材料參數 34
表3.3.2- 2共振頻率比較表 39
表3.4- 1 曲率之八階方程式係數 46
表3.8-- 1 成像距離與大小 59
表3.8-- 2 成像距離與大小 60

參考文獻
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