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研究生:劉凱翔
論文名稱:具均勻照明之LED準直透鏡
論文名稱(外文):An LED Collimator Lens for Uniform Illumination
指導教授:陳金嘉
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
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:64
中文關鍵詞:發光二極體準直透鏡多層球面自由曲面均勻照明
外文關鍵詞:light-emitting diodecollimator lensmulti-spherical surfacefreeform surfaceuniform illumination
相關次數:
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本論文提出一個新型的發光二極體(Light-Emitting Diode or LED)準直透鏡(Collimator Lens),其功用是使LED光源所發射的光線能均勻的照射在目標平面上,進而組成一個照明模組並應用於一般的投射照明。此透鏡的最外層為一全反射的(Total Internally Reflective or TIR)自由曲面,可使與光軸夾角較大的LED光線先經由此自由曲面反射,而後由透鏡前端之多層球面折射出去;而靠近光軸的LED光線則先經由透鏡後端外凸之自由曲面折射成平行光軸之光線,而後再經透鏡前端中心內凹的光學面折射出去。經由上述的安排,LED所發射的光線可重新獲得分布並產生均勻的照明。此外透鏡後端內挖一個圓柱面,使光線由LED光源進入透鏡時產生一次偏折,以縮小透鏡的體積,並達到反射面全反射條件。本論文除了介紹整個透鏡的設計概念與流程外,並詳細說明每一個自由曲面與多層球面之建立。最後此透鏡經由三維之幾何建構軟體與光學軟體之輔助而建構出。經由電腦模擬之結果得知,如果LED的發光面大小為 ,在距離10 m處,直徑為2.5 m的偵測面上,所模擬到的光學效率可達94%,而照度均勻度為0.8,可滿足一般投射照明之條件。
This thesis proposes a novel light-emitting diode (LED) collimator lens whose function can force the light rays emitted from an LED light source to uniformly illuminate the target plane. Thus, it can be used to form a lighting modular for general projection lighting. The outer layer of the lens is a freeform total internally reflective (TIR) surface that LED light rays with a larger angle to the axis will be totally reflected by the freeform surface firstly and then be refracted outwardly by the multi-spherical surfaces in the front of the lens. However, LED light rays closing the axis will firstly be refracted to parallel to the axis by the rear convex surface of the lens, and then be refracted outwardly by the central and concave optical surface, which is located at the front end of the lens. Through the above arrangement, light rays emitted from the LED can be redistributed to produce uniform illumination. In addition, a cylindrical surface is dag out on the rear side of the lens so that the lens volume can be reduced and the TIR condition can be achieved. Finally, the lens can be constructed with the assistance of a three-dimensional CAD program and optical software. From the computer simulation result, if the dimension of the luminance surface of the LED is , then the measured optical efficiency of 94% and illumination uniformity of 0.8 on a detecting surface of 2.5-m diameter and 10-m away can be achieved, which has satisfied the condition for general projection lighting.
目錄
摘要 i
Abstract ii
謝誌 iii
目錄 iv
第一章 緒論 1
1.1研究背景 1
1.2研究動機與目的 2
1.3論文架構 3
第二章 LED準直鏡技術與自由曲面設計法 5
2.1 LED準直鏡技術 5
2.2自由曲面設計法 9
第三章 自由曲面準直透鏡之設計 12
3.1 全反射式準直透鏡 12
3.1.1 全反射準直透鏡之概念圖 12
3.1.2 全反射準直鏡之建構 15
3.2 均勻分布式準直透鏡 19
3.2.1 均勻分布式準直透鏡之概念圖 19
3.2.2 多層球面之建構 25
第四章 光學模擬與結果討論 30
4.1 LED光源模型之建構 30
4.2 光學模擬 33
4.3多層球面數不同時之照度均勻度與光學效率 38
4.4不同大小晶片之光學模擬 40
4.5不同距離之目標平面的光學模擬 42
4.6 光源角度偏離及相對位移之影響 44
4.7 LED照明模組 51
第五章 結論與未來展望 53
5.1 結論 53
5.2 未來展望 54
參考文獻 55
附錄 A自由曲面建構流程 58

圖目錄
圖1.1 反射式LED手電筒 2
圖2.1 反射式準直鏡 6
圖2.2 LED準直透鏡 7
圖2.3 高效率LED準直透鏡 7
圖2.4非軸對稱 LED準直透鏡 8
圖2.5複合式LED準直透鏡 9
圖2.6 自由曲面建構流程圖 11
圖3.1 全反射式準直透鏡之二維概念圖 13
圖3.2 全反射式準直透鏡之自由曲線 16
圖3.3補上邊緣線之二維曲線圖 17
圖3.4旋轉後之二維輪廓圖 18
圖3.5全反射式準直透鏡之三維立體圖 18
圖3.6 均勻分布式準直透鏡之二維概念圖 20
圖 3.7 全反射式準直透鏡之光強度分布圖 22
圖 3.8 全反射式準直透鏡之照度圖與照度剖面圖 22
圖3.9 內挖球面之光強度分布圖 23
圖3.10 內挖球面之照度圖與照度剖面圖 23
圖3.11 加多層球面之光強度分布圖 24
圖3.12 加多層球面之照度圖與照度剖面圖 24
圖3.13 設定球面高度 26
圖3.14 選擇所需之光學曲率 26
圖3.15 單一球面實體 27
圖3.16 單一球面之建構參數示意圖 27
圖3.17 均勻分布式準直透鏡之二維結構 28
圖3.18 均勻分布式準直透鏡之三維結構 29
圖4.1 LED之外觀圖 30
圖4.2 LED之機構參數 31
圖4.3 LED光場型分布 32
圖4.4 TracePro建立之LED模型 32
圖4.5 TracePro模擬之LED場型分布 33
圖4.6 均勻分布式準直透鏡之尺寸 35
圖4.7實際光源之光追跡圖 36
圖4.8均勻分布式準直透鏡照度圖與照度剖面圖 36
圖4.9偵測面取較均勻部份之照度圖與照度剖面圖 37
圖4.10 均勻分布式準直透鏡光強度分布圖 37
圖4.11不同多層球面數準直透鏡之模擬結果折線圖 40
圖4.12不同發光面積之LED晶片 41
圖4.13不同LED晶片大小之模擬結果折線圖 42
圖4.14不同距離之目標平面上之模擬結果折線圖 44
圖4.15 光源與水平軸夾θ角 45
圖4.16光源偏離水平軸之模擬結果折線圖 46
圖4.17光源位置沿光軸方向變化 47
圖4.18光源沿光軸方向位移之模擬結果折線圖 48
圖4.19光源位置沿水平軸方向變化 49
圖4.20光源沿水平軸方向位移之模擬結果折線圖 49
圖4.21 方形陣列之均勻照明模組 51
圖4.22 陣列的照明模組之照度圖與照度剖面圖 52
圖A.1 光線反射後平行出光之幾何分析圖 58
圖A.2光線折射後平行出光之幾何分析圖 60
圖A.3 精確法之圖解 63



表目錄
表3.1 多層球面之建構參數值 28
表4.1單顆LED光源之模擬條件 35
表4.2多層球面數不同時之模擬結果比較 39
表4.3均勻分布式準直透鏡在不同LED晶片大小之模擬結果 41
表4.4 不同距離之目標平面上的模擬結果 43
表4.5光源偏離水平軸之模擬結果 45
表4.6 光源沿光軸方向位移之模擬結果 47
表4.7 光源沿水平軸方向位移之模擬結果 50


參考文獻
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[24] Lambda Research Corporation,取自http://www.lambdares.com/。

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