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研究生:林志豪
研究生(外文):CHIH HAO LIN
論文名稱:LED照明導光元件設計
論文名稱(外文):Design of Light Guides for LED Lighting
指導教授:馮慧平馮慧平引用關係蔡習訓蔡習訓引用關係
指導教授(外文):Hui Ping FengHsi Hsun Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:106
中文關鍵詞:白光LED導光元件陣列透鏡田口實驗計劃法反射罩
外文關鍵詞:white light LEDlight guidelens arrayTaguchi Methodsreflector
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白光LED比起傳統白織電燈泡與日光燈有許多的優點,如體積小、發熱量低、耗電量低、壽命長、反應速度快、可平面封裝和易開發成輕薄短小的產品。亦無白織燈泡高耗電量、易碎及日光燈廢棄物含汞污染等缺點。所以有綠色照明光源的白光LED,成為在歐、美、日等先進國家投入研發工作。由於近幾年來白光LED發光效率逐漸提高,使得白光LED在LED產業中成為看好且受矚目的商品。本研究是設計高亮度白光LED導光元件,使用壓克力透鏡,探討不同之錐度角、焦距、中空管長度三者,對平均照度值之影響。由此找出導光元件之最佳參數值,另外在導光元件端面加上陣列透鏡,進而探討陣列透鏡之均勻度。導光元件加上陣列透鏡在平均照度不損失的情況下,雖然均勻度由原先36%提高至60%,但尚未達到CIE均勻度70%以上要求。因此本研究另外以24顆白光LED組成一陣列光源,以錐形反射罩加上兩PC塑膠透鏡所組成之光學模組達成照明目的。探討設計變數包括錐形反射罩長度、錐形反射罩之大口徑直徑、錐形反射罩大口徑透鏡曲率半徑、錐形反射罩小口徑透鏡曲率半徑等四變數對照射標的之平均照度的影響程度,乃以田口實驗計劃法進行探討,並加入設計變數間之交互作用,以在最少的模擬次數內快速地獲得符合規格之較佳平均照度值,再變動較佳變數值,探討變數對平均照度的影響。因平凸透鏡厚度較厚,Fresnel lens可以減少透鏡厚度且節省透鏡製造成本,因此以LED陣列光源導光元件Fresnel lens設計,由不同間距值,對平均照度之影響程度做探討,使用白光LED陣列光源導光元件除能維持照明效率,且能改善高亮度白光LED導光元件均勻度問題。
White light LED compared with traditional incandescent light bulb and fluorescent lamp has more advantages , such as small size, quantity of heat is low, long life, low power consumption, response fast, plane package and easy to develop the frivolous short product. And incandescent light bulb has not the high power consumption, fragile and fluorescent lamp reject contains the mercury pollution shortcoming. Therefore, the white light LED of green illuminate source has became the main investment research and development work in such advanced countries in Europe, the United States and Japan etc. Because in the last few years the white light LED luminous efficiency gradually enhances, enables white light LED to become favors also the commodity which focuses attention on. To design the high brightness white light LED for light guide, we use the acrylic lens to analysis cone angle, focus and hollow tube length that influence average of illumination value in the research.Find out the best parameter value of light guide by the way. In addition, adding the lens array on the end surface of light guide, then discuss uniformity of lens array.The light guide include lens array, in the average of illumination does not lose in situation, although uniformity by originally 36% rise to 60%, not yet achieves the CIE uniformity above 70% to request. Therefore this research composes an array sources by 24 white lights LED, adds on two PC plastic lenses by the cone-shape reflection cover optics of mold the composition to achieve the illumination target. The discussion design variables including the cone-shape reflector length, the cone-shape reflector, the heavy-caliber diameter of the cone-shape reflector , the cone-shape reflector covers the heavy-caliber lens radius of curvature, the cone-shape reflection covers the small caliber lens radius of curvature and so on four variables to illuminate of the target to the average of illumination influence, is carries on the discussion by the Taguchi Methods , and joins the design variable the correlation, by fast obtains in the least simulations number of times conforms to the specification the better average of illumination value, again changes good changes the value, the discussion variable to the average of illumination influence. Because plano-convex lens thickness is thicker, Fresnel lens may reduce the thickness of the lens also save the lens production cost, therefore by LED array sources light guide the Fresnel lens design, by the different spacing value, makes the discussion to of influence the average of illumination, eliminates by the white light LED array sources light guide can maintain the illumination efficiency, also can improve the high brightness white light LED light guide uniformity question.
明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書 i
明志科技大學碩士學位論文口試委員審定書 ii
明志科技大學學位論文授權書 iii
博碩士論文電子檔案上網授權書 iv
誌謝 v
中文摘要 vi
英文摘要 vii
目 錄 ix
表目錄 xi
圖目錄 xii
第一章 緒論 16
1.1 研究背景與動機 16
1.2 研究目的 17
1.3 論文架構 17
第二章 文獻回顧 18
2.1 LED發展 18
2.2 白光LED發光機制 21
2.3 LED未來的發展趨勢 24
2.4 白光LED照明模組 28
2.5 照明用語 31
第三章 導光元件設計流程 33
3.1 單顆高亮度LED導光元件尺寸與參數規劃 34
3.2 單顆高亮度LED導光陣列透鏡尺寸與參數規劃 36
3.3 LED陣列光源導光元件尺寸 38
3.4 LED陣列光源導光元件Fresnel lens尺寸與參數規劃 40
3.5 選取光源 42
3.6 光學模擬 44
3.7 照明規範 45
第四章 導光元件設計分析結果與討論 46
4.1 高亮度LED導光元件設計 46
4.2 高亮度LED陣列導光元件設計 56
4.2.1 2x2陣列導光元件 56
4.2.2 3x3陣列導光元件 61
4.3 LED陣列光源導光元件設計 68
4.4 LED陣列光源導光元件Fresnel lens設計 87
第五章 結論 100
參考文獻 102

表目錄
表3. 1照明規範 45
表4. 1錐度角對平均照度之影響 53
表4. 2焦距對照度之影響 53
表4. 3中空管長對照度之影響 53
表4. 4 L8(27)直交表 70
表4. 5模擬規劃L8(27)直交表 70
表4. 6模擬L8(27)直交表之平均照度 71
表4. 7平均照度之ANOVA分析表 72

圖目錄
圖2. 1 Lumileds 所產k2高亮度白光LED外觀 19
圖2. 2可見光LED發展史 19
圖2. 3 LED異質結構設計之示意圖 21
圖2. 4白光LED發光機制 23
圖2. 5白光LED元件結構與作用原理示意圖 24
圖2. 6 2003〜2007 LED市場成長預測 25
圖2. 7 HB LCD將呈現巨幅成長態勢 26
圖2. 8全球照明市場成長預測 27
圖2. 9 LED價格流明比與亮度發展趨勢 27
圖2. 10 Lumileds 高亮度白光LED 的藍色光偏向現象 28
圖2. 11辦公室LED 照明燈具 29
圖2. 12辦公室LED 照明燈具的照明效果 30
圖2. 13 LED 檯燈的照明效果 30
圖2. 14 Lumileds 3W LED之指向特性 31
圖3. 1導光元件設計流程圖 33
圖3. 2壓克力聚光裝置外觀尺寸 34
圖3. 3導光陣列透鏡尺寸 37
圖3. 4光軸偏轉角度示意圖 38
圖3. 5 LED陣列光源導光元件 39
圖3. 6 LED陣列光源導光元件示意圖 39
圖3. 7 LED陣列光源導光元件Fresnel lens尺寸 41
圖3. 8 LED陣列光源導光元件Fresnel lens示意圖 41
圖3. 9 Lumileds -LXHL-LW6C之指向特性 42
圖3. 10模擬Lumileds -LXHL-LW6C 之120 lm之指向特性 42
圖3. 11白光LED(LT5KW3-AA-UCC3-T01-Z)指向特性 43
圖3. 12模擬之白光(LT5KW3-AA-UCC3-T01-Z)LED光源指向特性 43
圖3. 13白光LED(24顆)組成燈具之上視圖 44
圖4. 1中空管長6.7mm 46
圖4. 2中空管長5mm 47
圖4. 3中空管長3.9mm 47
圖4. 4錐度角為0度 48
圖4. 5焦距為無窮大 49
圖4. 6錐度角5度不同中空管長度 50
圖4. 7錐度角0度焦距無窮大中空管長不同 50
圖4. 8正負焦距之中空長度為6.7mm 51
圖4. 9正負焦距之中空長度為5mm 51
圖4. 10正負焦距之中空長度為3.9mm 52
圖4. 11最大平均照度93(lux)錐度角12度焦距23mm中空管長3.9mm 54
圖4. 12 2x2導光陣列透鏡均勻度(光軸偏轉33度) 57
圖4. 13 2x2導光陣列透鏡平均照度(光軸偏轉33度) 57
圖4. 14 2x2導光陣列透鏡均勻度(光軸偏轉28度) 59
圖4. 15 2x2導光陣列透鏡平均照度(光軸偏轉28度) 59
圖4. 16 2x2導光陣列透鏡均勻度(光軸偏轉38度) 60
圖4. 17 2x2導光陣列透鏡平均照度(光軸偏轉38度) 60
圖4. 18 3x3導光陣列透鏡均勻度(光軸偏轉33度) 62
圖4. 19 3x3導光陣列透鏡平均照度(光軸偏轉33度) 62
圖4. 20 2x2導光陣列透鏡均勻度(光軸偏轉28度) 64
圖4. 21 3x3導光陣列透鏡平均照度(光軸偏轉28度) 64
圖4. 22 3x3導光陣列透鏡均勻度(光軸偏轉38度) 65
圖4. 23 3x3導光陣列透鏡平均照度(光軸偏轉38度) 65
圖4. 24 2x2陣列透鏡(f 23mm)(光軸偏轉38度) 66
圖4. 25 2x2陣列透鏡示意圖 67
圖4. 26 3x3陣列透鏡示意圖 67
圖4. 27錐形反射罩與兩片PC透鏡示意圖 69
圖4. 28 L8(27)各因子之S/N回應圖 72
圖4. 29平均照度之各因子貢獻率分佈圖 73
圖4. 30調整B因子透鏡曲率半徑(固定A2、C2、D2) 74
圖4. 31調整A因子透鏡曲率半徑(固定B2、C2、D2) 74
圖4. 32 B因子為190mm調整A因子透鏡曲率半徑(固定C2、D2) 75
圖4. 33反射罩長度200mm調整B因子水準(固定A2、D2) 76
圖4. 34反射罩長度200mm調整A透鏡曲率半徑(固定B2、D2) 76
圖4. 35 B(170)C(200)D(200)調整A因子透鏡曲率半徑 77
圖4. 36 A2(60)B2(150)C2(300)D2(200)4因子水準最佳組合 78
圖4. 37 A(40)B(170)C(200)D2(200) 調整AB因子透鏡之曲率半徑 79
圖4. 38 A(40)B(190)C(300)D2(200)調整AB因子透鏡之曲率半徑 80
圖4. 39單透鏡錐形反射罩長度300mm之反射罩大徑透鏡曲率半徑 82
圖4. 40單透鏡錐形反射罩長度300mm之反射罩小徑透鏡曲率半徑 82
圖4. 41單透鏡錐形反射罩長度200mm之反射罩大徑透鏡曲率半徑 83
圖4. 42單透鏡錐形反射罩長度200mm之反射罩小徑透鏡曲率半徑 83
圖4. 43單透鏡B 200 C 300 D 200調整B因子透鏡之曲率半徑 84
圖4. 44單透鏡B 170 C 200 D 200調整B因子透鏡之曲率半徑 85
圖4. 45兩透鏡反射罩長300mm Fresnel lens R 190mm不同間距 88
圖4. 46兩透鏡反射罩長200mm Fresnel lens R 170mm不同間距 90
圖4. 47單透鏡反射罩長300mm Fresnel lens R 200mm不同間距 92
圖4. 48單透鏡反射罩長200mm Fresnel lens R 170mm不同間距 94
圖4. 49兩透鏡反射罩長300mm Fresnel lens R 190mm(P 0.15mm) 95
圖4. 50兩透鏡反射罩長200mm Fresnel lens R 170mm(P 0.6mm) 96
圖4. 51單透鏡反射罩長300mm Fresnel lens R 200mm(P 0.3mm) 97
圖4. 52單透鏡反射罩長200 mm Fresnel lens R 170mm(P 0.6mm) 98
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