臺灣博碩士論文加值系統

本研究針對高功率LED封裝結構之光學透鏡做設計，發展出一套光學透鏡設計方法。採用簡化的LED封裝型態，以透鏡取代反射杯的方式，設計出能夠均勻發光的直射型HP LED之光學透鏡，藉此來降低眩光的傷害。依照所規劃光線路徑建構光線路徑模型，用此模型計算描述輪廓的點資訊。先以參數式描述第一條光線的位置點，計算出位置點相對應的切線向量，再推算其餘光線的點資訊，進而得到完整的透鏡輪廓資訊。接著再透過直線或曲線繪圖透鏡二維輪廓，將輪廓沿著中央軸方向迴轉得到三維實體模型，此模型就可以放入光學軟體中進行模擬與驗證。本研究透過改變透鏡與光源的比例大小，來修正光線路徑模型使用點光源進行分析所產生的誤差，找出透鏡與光源的比例的關係式，得到最佳的透鏡大小。最後利用光強度分析，將透鏡輪廓進行微調，改善在觀察面上的光圖案之照度均勻性，完成整個光學透鏡的設計。

In this study, an optical design of the high power light emitting diode (HP LED) for illumination is proposed. A simplified structure of the LED that can use the lens to replace the reflector cup is designed. Therefore, the fabrication cost can be reduced. According to this design concept, a design method of the optical lens is developed. Based on the proposed method, an optical lens of the front-emitting HP LED to obtain a uniform illumination, and reduce the injured of the glare is designed. An optical model is used to obtain the overall point data of the lens profile by mathematics and geometrical optics base on the optical requirement. Either the straight lines or curves are used to draw the lens profile, and then rotate around the central axle to create the 3D optical model. In addition, the several lenses with same form but different scale are analyzed to find the optical properties of each lens in order to select a suitable size of the lens. The emission pattern of the lens is used to adjust the lens profile and each lens profile is analyzed to search the optimization lens profile by the uniformity of the illumination. Finally, an optical lens model with excellent illumination uniformity is found.

誌謝 I
摘要 III
Abstract IV
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 研究方法 6
第二章 光學透鏡設計 9
2.1 光學原理 9
2.2 光線路徑模型 10
2.2.1 發光角轉換計算 11
2.2.2 入射角轉換計算 12
2.2.3 切線斜率轉換計算 13
2.3 光學透鏡輪廓資料之計算 14
2.3.1 第一條光線之產生方法 14
2.3.2 其餘光線之產生方法 16
2.4 光學透鏡之三維實體模型建模方法 17
2.4.1 直線擬合繪圖法 17
2.4.2 直線擬合繪圖改善法 19
2.4.3 自由曲線繪圖法 20
2.4.4 光學透鏡之建模結果 20
2.5 結論 23
第三章 光學模擬與分析方法 24
3.1 光學軟體介紹 24
3.2 光學模擬設定 24
3.2.1 光學模擬結構模型 24
3.2.2 照度分佈觀察面 26
3.3 光學模擬初步結果 26
3.4 結論 28
第四章 光學透鏡最佳化設計 29
4.1 點光源分析誤差之修正 29
4.2 點光源的光學模擬 29
4.3 面光源的光學分析與計算 31
4.4 透鏡輪廓平滑度修正 34
4.5 結論 36
第五章 照度均勻化設計 37
5.1 照明學原理 37
5.2 光強度分析 39
5.2.1 朗伯發光模式分析 39
5.2.2 光學透鏡之光強度計算 42
5.3 規劃求解工具 43
5.4 最佳化模型 44
5.5 設計結果與模擬驗證 45
5.6 結論 46
第六章 手工透鏡製作與量測結果 47
6.1 手工透鏡製作 47
6.2 量測結果 48
6.3 結論 49
第七章 結論與未來展望 51
7.1 結論 51
7.2 研究建議 52
參考文獻 54
附錄 55
附錄A 直線擬合繪圖的透鏡之模擬結果 55
A.1 不同透鏡與發光晶片尺寸的光強度分佈圖(極座標圖) 55
A.2 不同透鏡與發光晶片尺寸的光強度分佈圖(直角座標圖) 60
附錄B 自由曲線繪圖的透鏡之模擬結果 64
B.1 不同透鏡與發光晶片尺寸的光強度分佈圖(極座標圖) 64
B.2 不同透鏡與發光晶片尺寸的光強度分佈圖(直角座標圖) 69
附錄C 自由曲線繪圖的透鏡之模擬結果 73
C.1 不同最佳化條件的照度分佈圖(10mm) 73
C.2 不同最佳化條件的照度分佈圖(50mm) 75

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