這篇論文主要是研究利用DLP(Digital Light Processing)系統對參雜偶氮染料的液晶樣品進行快速的多區光配向，並藉由此技術去製作客製化的大面積光寫入影像作為顯示之用。
以往我們要製作具有複雜圖形的大尺寸多區光配向元件時，往往需要搭配光罩使用，然而製作光罩的技術需要耗費許多的時間與開銷，因此基於成本與效率的考量，我們提出以DLP系統為光源，藉由DMD(Digital Micro-mirror Device)晶片去控制每個像素的出光亮暗，將輸入電腦的影像訊號直接投影出圖形對參雜偶氮染料的液晶樣品進行多區光配向。在完成配向的樣品上，由於不同區域的液晶導軸具有相異的指向，因此當偏振光行經樣品時會分別產生不同的相位延遲，此時我們便可以在前後偏振片間觀察到具有灰階變化的影像。
本實驗首先透過光配向技術對整面樣品進行水平配向，接著利用DLP系統的投影光源對入射面液晶進行TN配向。過程中我們去探討不同的基板材料、染料濃度、曝光時間、入射光強度對配向不同角度TN的穿透率與尺寸的影響，並找到一組利用此DLP系統製作多區光配向影像的最佳化參數與流程，同時透過不同的光路設計去改變投影影像的尺寸，根據此組參數快速的去製作許多大面積的光配向元件如液晶安全密碼卡、液晶光柵與光寫入元件等。製作完成的樣品除了具有良好的解析度外，還擁有可複寫的特性，因此我們可以利用此光寫入機制在有限次數內任意切換各區液晶的導軸指向、去變換所顯示的影像。

In this study, a fast and multi-domain photo-alignment technique based on DLP (Digital Light Processing) system was demonstrated using Methyl Red doped liquid crystal films. Such a technique can be applied to pattern customized large-scale images.
Complex photo-alignment images are usually patterned using a uniform light source together with a photomask. However, it is complicated and expensive to produce photomasks. By contrary, the DMD (Digital Micro-mirror Device) chip inside the DLP projector can act as an active photomask to control the output brightness of each pixel. In the photo-alignment process, the image was sent from the computer to the DLP system and subsequently projected onto a Methyl Red doped sample. Processing the output polarization of the system allows for the photo-aligned samples to present gray-scale images under crossed polarizers.
In the experiments, samples were photo-aligned in the twisted nematic (TN) states. This work investigated the influence of the substrate materials contacting the liquid crystal, exposure time, dye concentration and light intensity on the performance of the photo-alignment. Optical paths were designed to pattern images with different sizes. This technique has great potential to be applied in fabricating security cards, gratings and other optically addressable devices. Besides high resolution, the capacity of being rewritten also expands its applicability.

目錄
論文審定書••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••i
中文摘要•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••ii
英文摘要••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••iii
目錄•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••iv
圖次••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••vii
表次•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••xi
第一章 緒論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
第二章 液晶簡介••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••3
2.1 液晶的發現••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••3
2.2 何謂液晶••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••3
2.3 液晶的分類••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••4
2.3.1 生成方式•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••5
2.3.2 分子形狀•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••5
2.3.3 排列方式•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6
2.4 液晶的物理特性••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
2.4.1 秩序參數•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••9
2.4.2 折射率異向性••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••11
2.4.3 介電常數異向性••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16
2.4.4 黏滯常數異向性••••••••••••••••••••••••••••••••••••••17
2.4.5 連續彈性體理論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••18
第三章 實驗相關理論•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20
3.1 液晶的配向•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20
3.1.1 配向型式••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••20
3.1.2 溝槽理論••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••22
3.2 扭轉型向列型液晶(TN-LC)簡介••••••••••••••••••••••••••••••22
3.2.1 瓊斯矩陣••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••24
3.2.2 Gooch-Tarry condition•••••••••••••••••••••••••••••••27
3.2.3 Mauguin condition•••••••••••••••••••••••••••••••••••27
3.3 光配向簡介•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••28
3.3.1 賓主效應••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••28
3.3.2 光引致偶氮染料同素異構化反應••••••••••••••••••••••••29
3.3.3 正力矩效應••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••30
3.3.4 負力矩效應••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••31
3.3.5 吸附效應••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••32
3.4 DLP投影系統介紹••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••32
3.4.1 DMD晶片工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••33
3.4.2 對焦原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••35
3.5 TN液晶的多區光配向應用•••••••••••••••••••••••••••••••••••36
3.5.1 液晶安全密碼卡介紹••••••••••••••••••••••••••••••••••37
3.5.2 光柵介紹••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••38
3.5.3 Fresnel lens介紹••••••••••••••••••••••••••••••••••••39
第四章 實驗架設與過程•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••41
4.1 材料介紹•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••41
4.1.1向列型液晶E7••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••41
4.1.2 偶氮染料Methyl Red••••••••••••••••••••••••••••••••••42
4.2 實驗儀器•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••43
4.3 實驗方法與架設•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••44
4.3.1 樣品製作••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••44
4.3.2 光配向實驗••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••46
4.3.3 穿透度量測••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••53
4.4 Photoshop繪圖••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••54
4.4.1 密碼卡編碼••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••55
4.4.2 製作無灰階光配向照片所需圖形••••••••••••••••••••••••59
4.4.3 製作有灰階光配向照片所需圖形••••••••••••••••••••••••60
第五章 實驗結果與討論•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••65
5.1 曝光時間與穿透度分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••65
5.2 入射光強度與穿透度分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••68
5.3 配向時間與尺寸分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••72
5.4 配向不同角度TN分析••••••••••••••••••••••••••••••••••••••75
5.5 大尺寸多區光配向分析•••••••••••••••••••••••••••••••••••••79
5.6 多區光配向的應用•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••83
5.6.1 密碼卡製程••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••83
5.6.2 光學元件製程••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••88
5.6.3 光配向照片製程••••••••••••••••••••••••••••••••••••••91
第六章 結論與未來展望•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••99
參考文獻••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••101

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