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系統識別號 U0026-2412202009302200
論文名稱(中文) 電控調制共軸雙焦距液晶透鏡於具有立體影像能力之擴增實境研究
論文名稱(英文) Study of electrically tunable coaxial bi-focal liquid crystal lenses used in autostereoscopic augmented reality
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 光電科學與工程學系
系所名稱(英) Department of Photonics
學年度 109
學期 1
出版年 109
研究生(中文) 嚴煜翔
研究生(英文) Yu-Xiang Yan
學號 L76071265
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 61頁
口試委員 指導教授-許家榮
口試委員-黃啟炎
口試委員-鄭協昌
中文關鍵字 圓形孔洞電極液晶透鏡  共軸雙焦距  擴增實境  積分成像 
英文關鍵字 Hole-patterned electrode liquid crystal lens  coaxial bi-focus  augmented reality  integral imaging 
學科別分類
中文摘要 圓形孔洞電極液晶透鏡為一種折射率梯度透鏡,其功能與傳統玻璃透鏡一樣能匯聚或發散光束線,但由於其製作方便、體積輕薄且電控可調焦距等優點,經常是光電研究與應用的對象。本論文主要為研究先前實驗室已發表之可調式共軸雙焦距液晶透鏡於擴增實境之應用,並加入積分成像系統使其具有立體影像之能力。該透鏡為雙層液晶層(two liquid crystal layer, TLCL)之結構,其上層(TLCL-1)注入E7液晶並藉由電控調制焦距,而下層(TLCL-2)則為E7液晶與RM257光聚合單體之混合物,藉由紫外光曝光產生定型之適當液晶分子分布狀態具有固定焦距之透鏡能力,綜合兩層液晶分子之光學能力達成可調式共軸雙焦距液晶透鏡。
擴增實境(Augmented reality, AR)是一項新興視覺與實境結合產生明顯沉浸感的應用技術,其目的為提供使用者更豐富且方便的資訊內容以進行處置措施之考量。由於日常生活中人眼視覺對於實景遠近與大小、清晰或模糊具有一定的視覺經驗對應,因此,擴增實境應用所需的影像訊息自然也需符合視覺經驗。
研究首先量測所製作之TLCL液晶透鏡之光電能力表現,包括干涉條紋與焦距特性以了解是否適用於擴增實境實驗光路並進行相關研究,實驗結果顯示當未施加電壓時透鏡為固定單焦距模式,逐漸提升施加電壓後干涉條紋明顯的分為兩個區域,其一為中心區域之干涉條紋由TLCL-2液晶層所支配,由於此液晶層經紫外光曝光後之聚合物結構使液晶分子呈現固定方向分佈之液晶分子排列而不因施加電壓產生液晶分子轉動,屬於固定焦距的特徵;其二為外圍區域之干涉條紋由TLCL-1與TLCL-2兩液晶層共同支配,由於TLCL-1液晶層之液晶分子隨著施加電壓產生不同條件之液晶分子方向分佈,屬於變焦距的特徵且干涉條紋隨著電壓提升漸漸地往中心移動,與TLCL-2液晶層共構產生另一焦距,因此,此時液晶透鏡為雙焦距模式;最後當電壓提升至100 Vrms以上時TLCL-1液晶層之干涉條紋已分佈至整個透境區域而又成為單焦距模式。TLCL液晶透鏡之影像能力是以調制轉換函數(MTF)曲線以及波前誤差值(RMS)進行評估,並利用 CCD相機記錄TLCL液晶透鏡之物體成像之目視觀察。
接著,將TLCL液晶透鏡應用至擴增實境實驗光路架構中,分別施加0、60與120 Vrms電壓調制其焦距變化。觀測到的影像為使原本投影出來的單成像平面虛擬影像在液晶透鏡0 Vrms、60 Vrms、120 Vrms時在單成像平面與雙成像平面來回切換,而在60 Vrms時由於為雙成像平面因此虛擬影像可以對應到兩個不同位置訊息之實際物體,當觀察者看見其中一個虛擬影像與實際物體為清晰狀態時另一個虛擬影像與實際物體皆為模糊的狀態,此結果能達到虛擬影像與周圍實物互相結合達到擴增實境之效果。
最後將積分成像系統加入到擴增實境實驗光路架構中,利用電腦產生之單元影像,透過透鏡陣列得到還原影像後,此時得到的影像為3D的影像,再經由TLCL以及擴增實境實驗光路架構的效果,最後觀察者所看到的為能單、雙成像平面切換的3D影像,且當觀察者以不同的視角去觀看時能看見動態視差(motion parallax)之效果,而在雙成像平面中兩不同位置訊息之虛擬影像能分別對應在離觀察者18.8 cm與30.2 cm遠的實際物體,上述之結果皆能使的虛擬影像與不同位置訊息的實際物體互相結合達到人眼觀看時能有遠近、清晰與模糊的變化。
英文摘要 The graded index (GRIN) liquid crystal lenses with hole-patterned electrodes are usually studied, which functions are as well as the traditional glass lenses with convergent or divergent light beams but tunable focuses. In this thesis, the adjustable coaxial bifocal liquid crystal lenses were investigated and used in the augmented reality. Additionally, the integral imaging system was added to generate autostereoscipic functions. The proposed liquid crystal lens possesses a two-layer liquid crystal layer (TLCL) structure, which one layer (TLCL-1) was injected with E7 liquid crystal and responsed to electrically tunable focuses, and the other layer (TLCL-2) was a fixed focus generated by UV exposure in the cells with E7 liquid crystal and RM257 photocurable monomers. By means of cooperation in both LC layers, the lens achieved an adjustable coaxially bi-focal liquid crystal lens.
論文目次 摘要 I
Abstract IV
誌謝 XI
目錄 XII
圖目錄 XV
表目錄 XIX
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 4
第二章 液晶簡介與透鏡原理 6
2.1 液晶 6
2.1.1 起源與分類 6
2.1.2 液晶之物理特性 7
2.2 圓形孔洞電極液晶透鏡 9
2.2.1 液晶透鏡原理 9
2.2.2 液晶透鏡焦距 10
2.2.3 液晶透鏡干涉條紋 11
2.2.4 不連續線之成因 13
2.3 積分成像技術 14
第三章 實驗材料與架構 15
3.1 實驗材料 15
3.1.1 液晶 15
3.1.2 光聚合物 16
3.1.3 液晶配向劑 17
3.2 液晶透鏡製作 18
3.2.1 樣品使用設備與材料 18
3.2.2 液晶透鏡製作步驟 20
3.3 實驗裝置與量測 26
3.3.1 實驗元件條件參數 26
3.3.2 液晶透鏡之干涉條紋量測 28
3.3.3 液晶透鏡之焦距量測 29
3.3.4 液晶透鏡之實物成像量測 30
3.3.5 擴增實境實驗光路架構 31
3.3.6 影像放大率量測 32
3.3.7 積分成像影像拍攝 33
第四章 實驗結果與討論 35
4.1 可調共軸雙焦距液晶透鏡之性能 35
4.1.1 干涉條紋與焦距分析 35
4.1.2 波前誤差值(RMS)與調制轉換函數(MTF)曲線 38
4.2 實際影像拍攝 41
4.3 擴增實境實驗光路架構影像拍攝 43
4.4 積分成像系統加入擴增實境實驗光路架構 46
4.4.1 改良擴增實境實驗光路架構 46
4.4.2 調整光路架構並縮小投影影像 48
4.4.3 還原影像的可視角範圍 51
4.4.4 還原影像經由擴增實境實驗光路架構之AR影像 53
第五章 結論與未來展望 58
5.1 結論 58
5.2 未來展望 58
參考文獻 59
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  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2020-12-29起公開。
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