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課程內容
光電科技入門與實作
Photonics workshop for beginners
曾雪峰   108下

課程概述
光電科技是近年來快速發展的新興科技領域,舉凡手機、照明、顯示器,生醫等各個領域,光電科技已扮演現代世界的重要角色,成為現代與未來的重要科技產業,影響無遠弗屆。本課程以知識與實作並重,讓同學能以跨領域的思維學習光電科技的基本知識,並配合實驗,實際操作最新的光電科技。

課程目標
光電科技是現代與未來的重要科技產業。本課程以跨領域的思維讓同學學習光電科技的應用,課程安排上傳授最新光電科技知識與手動實作並重。藉由實際體驗光電科技最新的應用,激發培育學生對光電科技的興趣,鼓勵促進光電科技與各個科技做跨領域的結合與應用。帶動台灣光電人才的培育,進而促進台灣光電產業的發展。

課程要求
課程進度與教學內容:
本課程的內容,規劃大致可分為三個階段:
第一階段:(5週)
邀請光電所教授課講授基本光電科技知識,並邀請光電業界的業師,講授分享光電產業與自身經歷。

第二階段:(6週)
分組進行,由助教帶領學員進入各個實驗室,介紹光電重要領域,進行實驗的操作。

第三階段:(5週)
每組報告實際操作光電實驗的成果與心得,並提出將光電技術應用在跨領域應用的構想與實際規劃。藉由各組的報告與交流,激發學生們思考落實將光電技術結合自身所學以及未來方向。

第二階段的實驗主題,以目前光電產業熱門的技術,並考量適合光電所與業界能支援的方向為題,讓學生實作,實際體驗光電科技研究:

實驗一、
實作實驗項目
實作題目 簡易smart glass製作
目的 讓學生親手製作元件,並認識簡單的液晶特性、了解光散射現象、學習如何測量透光度。
說明 smart glass是可用電壓(或其他方式)調變透光度的玻璃。本實驗中,我們將混合光學膠及液晶,做出可用電壓控制穿透度的pdlc,將之用於smart glass。
備註 進實驗室前需先觀看光電所環安衛講習影片,並參加臺大環安衛中心a、b課程。

實驗二
實作實驗項目
實作題目 光偵測器的種類介紹及設計模擬分析(design and simulation of photodetectors)
目的 透過模擬教學,讓學生了解不同光偵測器的運作原理,設計上的關鍵點,讓學生可以對以光為主的感測器有更進一步的認識
說明 1. 光偵測器的種類介紹,從相機cmos元件,光二極體,ccd,雪崩式二極體到光導體(photoconductor)。
2. 和工研院合作開發的tcad (ddcc)模擬軟體學習。
先針對photo diode為範例,分析不同空乏區,吸光區對光響應能力的影響
了解photoresponsivity的計算方式
3. 針對修課學生分組,以相機cmos元件,光二極體,ccd,雪崩式二極體和光導體這些元件,進行設計,針對不同頻段需求,來設計光偵測器。
4. 針對所有學生,分別提供一組有限時間的使用帳號。
備註

實驗三、
實作實驗項目
實作題目 什麼是手機/平板裡的「液晶顯示器 (lcd)」?
目的 本實驗主要是,透過一些 i)實驗 和 ii) 電腦模擬的實際操作來介紹和讓學生了解液晶顯示器的基本概念和原理。
說明 預計內容包括:
1)偏光實驗:透過偏光片實驗,讓學生了解什麼是偏光,且偏光對液晶顯示器的重要性。
2)光電效應實驗:透過液晶盒(liquid crystal cell)光電的測量(電壓 vs亮度),來了解液晶可透過電壓的改變來改變其偏光特性與其穿透率/亮度。
3)反應時間:透過加ac電壓(用function generator)和放電壓來觀察和測量液晶的反應時間(response time)和其對液晶顯示器的影響。
4)液晶配向(alignment) :透過偏光顯微鏡來觀察液晶配向的重要性和其影響顯示器的暗態(dark state)和對比(contrast)。
5)液晶電腦模擬:透過電腦模擬軟體來更多了解液晶顯示器的不同結構的部分和其操作原理,且加電壓後其液晶份子(molecular directors)的反應/分佈,電埸分佈,視角(viewing angle),等等。
備註

實驗四、
實作實驗項目
實作題目 車間可見光通訊(v2v vlc)
目的 讓學員可以了解如何將學習到的光電知識轉化為車間可見光通訊之實際的科技應用
說明 以六次課從arduino電子開發板入門開始,循序漸進教導學生使用開發板硬體及相關的軟體程式,搭配發光二極體、光電感測裝置建構出一套可應用於車間可見光通訊雛型系統,以模擬前車的尾燈高速閃爍和後車行車記錄器進行車間通訊的情境。課程中連結課堂學習到的發光二極體、光電感測器、光通訊、捲簾快門效應、影像辨識等相關光電基本知識,並輔以適度的數學、計算機程式、ai、通訊編解碼實習。
備註

實驗五、
實作實驗項目
實作題目 模擬分析光在生物體中的傳播與散射
(simulating light propagation through biological scattering medium)
目的 隨著電腦的快速發展,近年來光學模擬日益扮演光學研究舉足輕重的地位。跟光學模擬研究課專題,以matlab為基礎,以淺顯易懂的方式讓學生嘗試光學、電磁波的模擬,實際體驗模擬研究的優勢。
說明 學模擬研究主要方法有兩大類:直觀(heuristic)的模擬方法,以及嚴謹(rigorous)的模擬方法。根據學生的興趣以及實際的數理能力,將選擇適當的題目與方法讓學生體驗t嘗試完成光傳播散射模擬課題。
備註

實驗六、
實作實驗項目
實作題目 利用光學同調斷層掃描術於光學元件特性量測
(using optical coherence tomography for the measurement of the characteristic of optical devices and materials)
目的 光學同調斷層掃描術(optical coherence tomography, oct)為一種可以提供非破壞式樣本結構資訊的光學量測技術, 透過使用一寬頻且低同調特性之光源。 此一技術可以區分來自樣本內部不同介面間的反射訊號, 以及介面間的光學折射係數差異。
說明 在此實驗過程中, 學生將會實際搭設部分的oct系統架構, 並且利用此一系統量測數個具有不同特性的光學元件, 透過後端數值分析, 學生將可以計算出待測樣本的光學特性如折射係數以及厚度等資訊. 透過此項實驗學生將可以接觸到基礎光學系統架設以及量測數據分析等實驗操作

備註: 課程希望能讓有志學生,實際接觸並體驗最新光電科技,以激發興趣,從而推廣光電與學生專業的跨領域整合應用。

指定閱讀
以課堂講義為主

參考書目
以課堂講義為主

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