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曲面型微透鏡陣列、環境友善頭燈及利用流體成型製造透鏡之光學研究

為了解決modern brick wall fe的問題，作者梁瑋倫 這樣論述：

本論文探討彼此間具有密切關聯性之光學研究主題。首先，我們探討如何將相機結構結合曲面型微透鏡陣列以及毫米(mm)尺寸之單透鏡。微透鏡陣列中的每個子透鏡皆為單一通道，並各自獨立進行成像。利用此多通道成像原理，進而引發出火車頭燈研究主題，即設置於燈殼中之各個LED芯片所發出之光線，可視為各自獨立之照明光斑，如同前項主題當中，光線於多通道行進的過程，用以探討頭燈的照明。至於在首項主題所使用mm尺寸之單透鏡，則早已廣泛應用於光學設計中，並於光學研究中佔有相當大的重要性。故此，我們於最後一項主題探討如何高速自製mm尺寸透鏡之方式。 於曲面型微透鏡陣列之相機鏡頭研究中，其成像系統乃是基於人眼以及由生

物啟發之多焦距人工複眼的原理，所製作出之光學結構。人造複眼是類似於昆蟲複眼之曲面六邊形微透鏡陣列，其中每個人造小眼以小角度接受入射光，而圓弧形陣列則有助於本研究來實現具有廣視野且結構緊湊之相機模組。在模擬設計中所提出之系統僅使用兩個透鏡，即一個半球形透鏡和一個圓弧彎曲之六邊形微透鏡陣列，用以實現廣視場攝相系統。接著，本研究以實驗來印證模擬設計，但為避免在實際生產中，因設置個別獨立光學元件而產生之公差積累，故本研究將半球形透鏡與彎曲之六邊形微透鏡陣列合併成單一透鏡元件。 其次，本研究提出了一種使用雙半圓形拋物面鍍鋁反射器之火車頭燈系統，每個半圓形反射器包含五個高效率、小封裝之發光二極體（L

ED）芯片，且此兩個半圓形反射器承180°旋轉對稱。頭燈照明必需符合美國聯邦法規之交通安全規範，為了預測照明模式，本研究針對垂直於LED芯片之中心所發出的光線光路，進行了分析推導。該光線代表從LED芯片所發出的主光線，並會落於由LED光源所投射至屏幕上之光斑的最大照度處。接著，本研究進行系統性地分析設計，以確定反射器中LED芯片的位置應如何擺設，方可達到最少電力的消耗，又同時滿足交通法規安全規範之限制。相較於典型的火車頭燈系統，白熾燈或鹵素燈需要耗能幾百瓦，而本研究所提出的系統僅使用20.18W即可滿足法規要求。此外，於延伸討論中，本論文也提出多面形反射器火車頭燈系統之探討構想，有利於照射光斑

更接近圓形，以增進光線聚焦效果。 最後，本論文提出了一種利用彈性模具來製造光滑非球面透鏡的方法，該彈性模具是由注入受控氣泡於液體聚二甲基矽氧烷（PDMS）後硬化而成。PDMS的表面張力為成形氣泡提供了所需之壁張力(wall tension)，為使壁張力達到最小化，氣泡將會被擠壓成非球面形狀。藉由控制氣泡之體積，我們可以使氣泡生成不同的曲率半徑。在製作好彈性體模具後，我們接著將UV光固化光學膠填充到模具中，即可複製出本研究所需要的鏡片。若需通過傳統精密鏡片成型工藝來製造透鏡，不僅製作設備難以取得、且所需使用之設備價格昂貴，一般研究人員難以利用此法自製透鏡。利用本研究之製作方式，不僅設備成本

低廉，且藉由同一模具還可翻模出相同外型之透鏡，如此複製品便能夠實現相同的光學性能。因此，本研究能以快速且低成本的方式來製造出許多具有相同形狀的鏡片。最後，本研究呈現將自製透鏡結合智慧型手機，而成為可攜式顯微鏡之應用方式。

透明超高阻隔性高分子/石墨烯複合薄膜之研究

為了解決modern brick wall fe的問題，作者陳榮財 這樣論述：

目前工業應用對阻隔膜的需求與日俱增，高性能阻隔膜之開發備受注目，本研究利用不同技術製備透明、高阻隔性之高分子/石墨烯複合膜，研究成果大幅突破傳統高分子/黏土複合薄膜之性能。考量阻隔膜之性能與製程實用性，氧氣阻隔膜分別利用以下技術製備: (1) 層層自組裝(layer-by-layer self-assembly, LbL)技術製備分支狀聚乙烯亞胺(branched poly(ethylenimine, BPEI)/氧化石墨烯(graphene oxide, GO)複合膜；(2) 結合溶液混摻和恆溫再結晶技術製備聚乙烯醇(poly(vinyl alcohol), PVA)/GO複合膜；(3)

結合溶液混摻和前交聯法製備PVA/GO複合膜。水蒸氣阻隔膜則是先利用溶液混摻法製備環烯烴共聚物(cyclic olefin copolymer, COC)/熱還原石墨烯(thermally-reduced graphene oxide, TRG)複合膜，然後再進行熱處理和表面改質。 文獻指出利用LbL技術可製備出高阻隔和高透明之高分子/黏土薄膜，但卻需要40-70個雙層。為獲得高阻氣性並大幅降低雙層數，我們利用LbL技術製備BPEI/GO透明薄膜，並探討GO溶液pH值對薄膜微結構和氧氣阻隔性之影響。結果指出，在pH=3.5時，薄膜呈現非常緻密且規則之結構；於僅10個雙層條件下，展現出氧氣穿透

率< 0.05 cc/m2/day，具有< 2.7 × 10-21 cm3 cm/cm2 /s/Pa的超低透過係數；此數值比傳統的SiOx鍍膜以及高分子-無機多層膜(PML)低了一個級數；比EVOH薄膜低了三個級數；比PVA/MMT混摻薄膜低了5個級數；也比其他LbL-高分子/黏土薄膜低了1~2個級數。此BPEI/GO薄膜展現出比其他複合材料優異許多的性能，可適用於電子產品，例如:液晶顯示器和太陽能電池模組等。 LbL製備之BPEI/GO複合膜雖然成功降低組裝雙層數，LbL製程仍較傳統溶液混摻技術複雜許多，為簡化製程，我們嘗試使用溶液摻混法製備PVA/GO複合膜，但由於溶液混摻薄膜的阻隔性較

差。因此，我們發展出簡單結合溶液混摻和恆溫再結晶技術，製備具有超高阻氣性之PVA/GO複合膜。含0.1 wt% (0.07 vol%) GO之PVA/GO複合膜，經過6小時100C恆溫再結晶處理後，展現< 0.005 cc/m2/day的氧氣穿透率以及< 5.0  10-20 cm3 cm/cm2/s/Pa之氧氣透過係數，此數值低於其他高分子/無機粒子複合薄膜1~8個級數；顯示阻氧性遠優於其他混摻之高分子/無機粒子複合薄膜。此優異的氧氣阻隔性能是由特殊之PVA結晶/GO奈米片混成結構所貢獻。在恆溫再結晶過程中，PVA結晶會圍繞著GO生成，並且填充在GO奈米片間的空隙，聯結GO形成可阻擋氧氣

透過之超大不可透過區域。本論文所提出之混摻GO結合高分子再結晶技術，提供複合膜改善阻隔性突破性進展。 結合溶液混摻和恆溫再結晶技術相較於LbL而言已簡單許多，但是仍需要進行長時間(100C，6h)的後熱處理，對於工業量產此程序仍有再簡化之需求。因此，我們結合溶液混摻和前交聯法製備PVA/GO複合膜。本研究成功發展出一種控制交聯反應條件使鑄膜溶液適當交聯並且不發生膠化得以進行刮膜的技術，此法在實際應用面較再結晶法更適用於大規模量產程序。同時，此交聯之PVA/GO複合膜展現與再結晶之PVA/GO複合膜相同的超高氧氣阻隔性能(OTR< 0.005 cc/m2/day)。交聯劑所扮演的角色為: (

1) 使高分子基質緻密化；(2) 使高分子鏈剛硬化；(3)提升GO和PVA間的界面黏著性；(4)因交聯網絡結構為氣體不可透過區域，他們可聯結GO形成超大之阻隔層，因此氧氣阻隔性能得以大幅提升。溶液混摻結合前交聯技術，可省略長時間的後處理程序，亦可提升大面積複合膜之均勻性並降低能源消耗、投資成本及所需空間；此技術應為目前量產高分子/石墨烯阻隔複合薄膜最可行之方法。 高性能阻隔膜需同時阻隔氧氣與水氣，親水性高分子/GO複合膜阻水性不足，因此我們嘗試混合超微量之TRG進入COC薄膜內製備水氣阻隔薄膜。TRG在0.06wt% (0.009vol%)之添加量下，COC/TRG複合膜有效降低了水蒸氣透過

係數22%。基於相近的降低比例下，此含量低於其他高分子/黏土或是高分子/石墨烯複合膜添加量的10-100倍，顯示添加TRG是非常有效的方法。為了更進一步改善阻隔性能，針對COC/TRG-0.06wt%複合膜進行不同溫度的熱處理(annealing)，結果顯示，藉由熱處理方式可再大幅降低水蒸氣透過係數50%，這是由高分子鏈剛硬化以及界面黏著性獲得改善所貢獻的。最後，我們使用兩性高分子分別塗佈在COC和COC/TRG薄膜表面上，使其表面親水化。經表面塗布上一層親水層後，水氣的阻隔性可再獲得提升。對於親水層抑制水氣透過，我們首次提出水分子透過具有表面親水層之疏水阻隔膜之特殊傳輸機制。組合傳統與創新概

念，本研究發展出阻水性優於所有高分子/無機物複合膜文獻值之高分子/石墨烯阻水氣複合薄膜。 本論文針對阻隔膜內的微結構與阻隔性能間的關聯性進行深入探討，並將氣體透過係數的實驗數據與Nielsen和Cussler模型進行比較，最終，我們對於如何製備具超高阻隔性之透明薄膜，提出深入且獨特的見解。本研究製備之氧氣和水氣阻隔膜皆展現優於其他文獻的性能，阻隔膜之性能遠優於食品與藥物應用之需求，並可適用於電子及能源產業。