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研究生:謝秀華
研究生(外文):Hsieh, HsiuHua
論文名稱:LED準直透鏡設計之研究
論文名稱(外文):Design of TIR Collimater Lens for LED
指導教授:李偉裕李偉裕引用關係吳錦銓李昆益李昆益引用關係林晏瑞林晏瑞引用關係
指導教授(外文):Lee,WeiYiWu,ChinchuanLee,Kun-YiLin,Yen-Juei
口試委員:莊為群
口試委員(外文):Chuang,Wei-Ching
口試日期:2011-07-09
學位類別:碩士
校院名稱:中華科技大學
系所名稱:機電光工程研究所碩士班
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:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:58
中文關鍵詞:發光二極體
外文關鍵詞:LED
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LED為新一代之照明趨勢,但仍有許多效能有待提升,故本文利用設計全反射透鏡(Total Internal Reflection Lens¸TIR),除了效率的提高還具有良好的聚光效果,本文研究係設定以單顆發光二極體(LED)經透鏡設計,探討LED於TIR透鏡之二次光學元件應用,用以簡化燈具設計並提高照明品質與效率。首先說明TIR透鏡建構的原理及設計方法,利用Snell’s定理以及點斜式設計透鏡之曲面,提升LED照明效率。並以疊代及線性內差法推導計算TIR透鏡中間透鏡及全反射面之座標,再以光學仿真模擬軟體FRED模擬該模型之效率分析,與傳統LED燈具模組進行空間照度模擬分析比較。研究結果證實本研究的確有效提升效率至93.0%。
In this new generation light emitting diode (LED) lighting becomes a trend, nevertheless there are still many things need to be improved. Using total internal reflection (TIR) lens in addition to improve the efficiency of the condenser is one of the ways which has a high impact for LED performance. A single-line piece of LED and the lens design have been applied. TIR lens optics applications are also used to simplify and improve lighting quality and to improve efficiency. The principle of TIR lens construction and design methods, the Snell's Theorem and the point-slope design of the lens surfaces are used to improve the efficiency of LED lighting. The iteration and calculation of a linear TIR lens difference method is derived and also the total reflection surface of the lens on the center coordinates, then FRED optical simulation software has been used to simulate the model which has the best efficiency result, finally the conventional illumination LED lighting modules for spatial analysis will be compared with the simulation result. The results confirmed that with this method the efficiency has been improved until 93%.
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目次 IV
第一章導論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2文獻回顧 3
1.3論文架構及大綱 4
第二章基本原理 5
2.1 LED發光原理 5
2.2光度學 6
2.2.1視效函數 6
2.2.2光通量F(Luminous flux) 7
2.2.3光強度I(Luminous intensity) 8
2.2.4照度E(llluminance) 9
2.2.5輝度L(Luminance) 10
2.2.6眩光(Glare) 11
2.2.7色溫(correlated color temperature) 11
2.2.8演色性(color rendering) 12
2.3透鏡幾何原理 13
2.3.1凸透鏡幾何原理 13
2.3.2拋物面透鏡幾何原理 14
2.4配光曲線 15
2.5均勻度 18
第三章LED準直透鏡設計 19
3.1照明光源介紹 19
3.1.1白熾燈 (Incandescent) 19
3.1.2氣體放電燈(Gaseous discharge lamp) 19
3.1.3固態光源 23
3.2全反射透鏡原理 28
3.3TIR透鏡比較 29
3.4全反射透鏡設計 32
3.4.1設計簡介 32
3.4.2雙凸透鏡設計 34
3.5全反射面設計 35
3.6數學模式推導 36
3.7參數調整 39
3.7.1照射面積 39
3.7.2光源數量 40
第四章光學模擬與問題討論 41
4.1光學仿真軟體之介紹 41
4.2 TIR Lens模擬結果 42
4.2.1元件架構圖 42
4.2.2使用光源特性介紹 43
4.2.3照度圖 44
4.2.4角度圖 45
4.3問題與討論 48
4.3.1不同效率之比較 48
4.3.2全反射透鏡照射面積之比較 48
4.3.3全反射透鏡於LED晶粒數量之比較 50
4.3.4全反射透鏡光源效率之比較 52
第五章結論與未來展望 54
5.1結論 54
5.2未來展望 55
參考文獻 56
作者簡介 58







表圖目錄

表2.1色溫環境對照表 11
表2.2燈源平均演色性評價數 13
表3.1環保燈源比較 22
表3.2光源種類比較表 25
表3.3設計參數 30
表5.1透鏡之比較 54
圖1.1LED發展趨勢預測圖 1
圖2.1 p-n接面的能階圖 54
圖2.2光譜光視圖 7
圖2.3立體角定義圖 9
圖2.4輝度定義圖 10
圖2.5光源種類 12
圖2.6凸透鏡原理 14
圖2.7配光曲面圖 16
圖2.8配光曲線種類 17
圖3.1 Snell’s Law 28
圖3.2TIR透鏡側視圖 29
圖3.3優化設計圖 30
圖3.4優化前後光型比較 31
圖3.5設計流程圖 33
圖3.6設計示意圖 34
圖3.7數學建立TIR透鏡外曲面示意圖 35
圖3.8TIR透鏡設計 37
圖3.9點斜式圖 38
圖3.10照射面積大小 39
圖3.12光源數量 40
圖4.1FRED操作介面圖 41
圖4.2準直透鏡系統架構 42
圖4.3TIR透鏡 43
圖4.4朗伯型光源光強度圖 44
圖4.5照度圖 45
圖4.6角度圖 46
圖4.7X、Y坐標軸角度圖 47
圖4.8X、Y坐標軸角度放大圖 47
圖4.9配光曲線圖 48
圖4.10配光曲線放大圖 48
圖4.11TIR光源分佈情形 49
圖4.12 600 600 面積之架構 49
圖4.13 400 400 面積之架構 50
圖4.14單顆LED晶粒模型 51
圖4.15六顆LED晶粒模型 51
圖4.16單顆LED整體架構圖 52
圖4.17六顆LED照度圖 52

[1]黃紹宗,手術燈反射鏡曲面之設計與照度分析,清華大學動力機械工程學系,民國八十九年。
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