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研究生: 高培原
Pei-Yuan Kao
論文名稱: 應用於自然光照明系統之模組化耦合器
A Modular Coupler Design for Natural Light Illumination System
指導教授: 黃忠偉
Allen Jong-Woei Whang
陳省隆
Hsing-Lung Chen
口試委員: 阮聖彰
Shanq-Jang Ruan
陳俊良 
Jiann-Liang Chen
趙涵捷
Han-chieh Chao
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電子工程系
Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 68
中文關鍵詞: 光學耦合器日光照明自然光照明系統室內照明
外文關鍵詞: Optical coupler
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  • 由於近年來氣候暖化以及能源短缺的關係,為了減少能源的消耗及汙染,本實驗室開發一套照明系統,稱為自然光照明系統,本系統有別於太陽能電池之處在於,自然光照明系統不經過能量轉換,而是直接將太陽光導入室內空間進行照明,減少了光電轉換過程時的能量損耗。
    然而自然光照明系統處於開發階段,仍有許多部分有待改良及提升。在此系統中我們所採用的集光模組具有4個出口,為了解決大量使用集光模組時,產生多出口之問題,本論文提出一模組化耦合器之設計,將多出口合併為單一出口,在進行光線傳輸。
    在本文中採用全反射特性與雙拋物面共焦點能將光線壓縮的概念,設計出新式模組化耦合器,並得知在串接5個新式耦合器時,其效率相較於舊式耦合器提升約13倍;而相較於光纖提升約1.77倍,可同時取代兩種耦合元件。


    In this paper, we present a new design of a modular coupler used in NLIS (Natural Light Illumination System), which aims to guide the natural light at indoors for illumination. Each light collection module in the NLIS has four exit ports, and the light is inserted to light transmission module through the exit ports. We design the coupler to merge light from all of the exit ports into one common route, reducing the complexity of connection tasks in the NLIS. We use the concept of same-focus paraboloid to concentrate the rays of each light collector's exit port. As a result, the new coupler increases the efficiency of traditional coupler’s 13 times.

    目次 中文摘要 i Abstract ii 誌謝 iii 目次 iv 圖次 vii 表次 x 第一章 緒論 1 1.1研究背景 1 1.2研究動機 3 第二章 日照系統介紹 5 2.1常見日照系統 5 2.1.1動態式日照系統 5 2.1.2靜態式日照系統 6 2.1.3 兩種日照系統比較分析 7 2.2自然光照明系統 7 2.2.1前集光子系統 8 2.2.2集光子系統 9 2.2.3傳光子系統 9 2.2.4放光子系統 11 第三章 光學基礎理論與照明單位介紹 12 3.1幾何光學原理 12 3.1.1折射率(Refractive Index) 12 3.1.2光程(Optical Path Length) 12 3.1.3費馬定理(Fermat’s Theorem) 13 3.1.4司乃爾定律(Snell’s Law) 13 3.1.5全反射(Total Internal Reflection,TIR) 14 3.1.6菲涅爾方程式(Fresnel Equation) 15 3.1.7光展量定理(Etendue Principle) 16 3.2基本照明單位量 17 3.2.1單位立體角(Solid angle, Ω) 17 3.2.2光通量(Luminous Flux,Φ) 18 3.2.3 照度(Illuminance, E) 18 3.2.4 強度(Luminous Intensity, I) 18 3.3光纖材料特性 19 3.3.1光纖構造與原理 19 3.3.2光纖數值孔徑 20 3.3.3光纖傳遞之能量損耗 21 第四章 新式模組化耦合器設計 23 4.1 NLIS光纖耦合問題探討 23 4.2傳統耦合器設計概念 24 4.2.1傳統耦合器設計方法與構造 25 4.2.2舊式耦合器問題探討 26 4.3新式耦合器設計概念 27 4.3.1轉折稜鏡 29 4.3.2雙拋物面共焦點 29 4.3.3拋物面本體尺寸 32 4.3.4 傳輸通道 34 4.4耦合器模型 35 第五章 模組化耦合器模擬結果分析與探討 37 5.1耦合原件成本與架設困難性比較 37 5.1.1 耦合原件成本比較 37 5.1.2 耦合原件成本比較 38 5.2耦合效率定義及模擬方式 40 5.3耦合器串接之效率結果與比較 41 第六章 藝境應用 47 6.1 NLIS架設位置 47 6.2 耦合器應用於藝境 48 第七章 結論與未來展望 51 7.1結論 51 7.2未來展望 51 參考文獻 53

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