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研究生:劉丞峻
研究生(外文):Cheng-Jyun Liou
論文名稱:室內可視光通訊之LED光源陣列研究
論文名稱(外文):Research of Indoor Visible Light Communication System with Different LED Array
指導教授:陳錫釗
指導教授(外文):Hsi-Chao Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:電子與光電工程研究所碩士班
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:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:86
中文關鍵詞:可視光通訊系統發光二極體光源陣列室內照明
外文關鍵詞:Source arrayIndoor lightingLight emitting diodes (LEDs)Visible light communications system
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現今,固態照明發展已蓬勃發展,未來將朝向高效率、智慧化以及光通訊等方向進行。因為LED可以高速光切換特性,可避免人眼不適,所以將室內照明結合可視光通訊為本研究之重點,並尋找可用於室內照明與可視光通訊系統之最佳光源陣列的設計。先行利用幾何關係設計出Circle、Rectangle 和Radiation 三種不同光源陣列型態,並運用光學模擬軟體所得之照度圖、Polor Candela等參數及室內外照明設計軟體進行光源特性分析等,找出較為優異的光學陣列。由光學模擬及實作量測顯示Rectangle在三種陣列設計中有最佳總光通量、最大照度和最大有效照度涵蓋面積。另外,在室內照明模擬分析中,燈具安裝位置為距離牆面邊緣1m為最佳。在進行光追跡模擬後,以Rectangle 陣列具有最佳照明均勻比率,其為63.5%。最後,將結合可視光通訊系統,並輸入頻率為1k Hz之訊號源,當訊號傳輸距離為1.8m,系統訊號經自由空間傳遞後,以Rectangle在接收端之訊號波形較為明顯,且有效訊號分佈角範圍達到85°。在本實驗分析中,以Rectangle 為最適用於室內照明與可視光通訊系統最佳化陣列設計。
Nowadays, the development of solid-state lighting is rapid and focuses on high efficiency, intelligence, light communication and other elements in future. However, there is an increasing demand of light emitting diodes (LEDs) in visible light communication combined with indoor lighting. The purpose of this study is to find the optimization design of light source array which is used for both indoor lighting and visible light communication. Firstly, we design three different source arrays: circle, rectangle and radiation types by geometrical relationship. Then, a optical simulation and indoor-outdoor lighting design software were used to analyze the characteristics of source arrays with the comparisons of luminous flux, illuminance distribution and Candela distribution. The simulation results and the experimental measurement show that rectangle array had the best total luminous flux, maximum illumination and the maximum cover area of effective illumination among these three different arrays. Furthermore, through the simulation of indoor lighting simulation the best distance between the array lamps and the edge of wall is 1 m. After the light tracing, rectangle array has the optimization illumination uniformity ratio which could reach to 63.5%. In the analysis of visible light communication system, a test system is built with the input signal frequency of 1k Hz and the transport distance of 1.8m. The receive waveform of rectangle array was best in the transport of free space than other arrays and the divergence angle could reach 85°. In this study, the optimization array design of indoor lighting and visible light communication system is rectangle array.
中文摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.2.1 LED照明智慧化 2
1.2.2 LED應用於可視光通訊之優勢 4
1.3 研究方法 7
第二章 光度學與可視光無線通訊之基礎理論 8
2.1 輻射度量與光度量 8
2.2 光學單位 9
2.2.1 光通量( Luminous Flux ) 9
2.2.2 立體角( Solid Angle ) 9
2.2.3 照度 ( Illuminance ) 10
2.2.4 光強度(Luminous Intensity) 11
2.3 無線光通訊原理 12
2.3.1 紅外線數據通訊(Infrared Development Association, IrDA) 12
2.3.2 可視光通訊(Visible Light Communications, VLC) 14
第三章 室內照度規範與照明光源 16
3.1 室內照明 16
3.1.1 辦公室 16
3.1.2 住宅照明 17
3.1.3 工廠照明 18
3.1.4 學校照明 18
3.2 室內照明燈具與各式常用傳統光源介紹 19
3.2.1 白熾燈 20
3.2.2 日光燈 21
3.2.3 高強度氣體放電燈(High Intensity Discharge Lamp ; HID) 22
3.3 發光二極體(Light-Emitting Diode ; LED) 23
3.3.1 LED發光原理 23
3.3.2 產生白光LED之類型 25
第四章 可視光通訊系統光源陣列設計與訊號傳遞架構 28
4.1 量測設備簡介. 28
4.1.1 積分球 28
4.1.2 配光曲線儀 29
4.2 光源數據與建立 31
4.3 光源陣列設計 38
4.3.1 Circle Type 39
4.3.2 Rectangle Type 40
4.3.3 Radiation Type 41
4.4 燈具光學模擬之建構 43
4.5 室內照明設計模擬之建構 44
4.6 光源製作 48
4.7 可視光通訊系統之架設 50
第五章 結果與討論 53
5.1 光學模擬與量測分析 53
5.2 室內照明設計之分析 58
5.3 可視光通訊之訊號傳遞分析 62
第六章 結論 73
參考文獻 74
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