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研究生: 黃建歷
Jian-li Huang
論文名稱: 高功率白光LED照明之光學設計
Optical Design of High-Power White-Light LEDs for Illumination
指導教授: 廖顯奎
Shien-Kuei Liaw
口試委員: 黃忠偉
Jong-Woei Whang
單秋成
Chow-Shing Shin
黃振發
Jen-Fa Huang
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: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 80
中文關鍵詞: 發光二極體高功率白光LED照明光學設計
外文關鍵詞: light-emitting diodes, high-power white-light LED, illumination, optical design
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  • 白光發光二極體比起傳統的白熾燈及螢光燈有更多優點,如具有高穩定性、使用時間長及消耗功率小等等。因此,白光發光二極體被視為世界上未來最有發展潛力的固態照明。
    本論文主要是在白光LED的光學設計與照明分析。在光學設計部分,我們目的要燈具在距離2公尺,面積為2*2平方公尺的工作面上有300Lux的均勻照度。所以照明的配光曲線為蝙蝠翼光場,最大的光強角度在27度,與0度角相比約為0.71。我們利用光學模擬軟體LightTools進行透鏡出光面的設計,改變LED光場的分佈。配光曲線設計完成後,需要9個LED組成一個燈具,才能使工作面上約有300Lux的平均照度。再針對這個LED模組進行工作平面上的均勻照度優化,可使均勻達到0.9,使這個模組能用於室內照明。
    在照明分析部分,把LED燈具和螢光燈用於一個室內空間作比較。比較之間的結果,可發現LED燈具的照明利用率為0.682高於螢光燈管的照明利用率0.394。LED燈具在單位面積下產生100Lux需要2.29W,而螢光燈在單位面積下產生100Lux需要2.56W。能證實LED燈具能比螢光燈管省電。


    White light LEDs have more advantages than those of traditional incandescent lamps and the fluorescent lamps; e.g. high stability, long life time and low power consuming etc. Therefore, white light LEDs have been regarded as the most potential light source of solid-state lighting (SSL) in the future.
    In this thesis, we focus on the white light LED optical design and illumination analyses. For the optical design issue, our purpose is to design a 300-Lux lamp on the work plane which is 2 meter away with LED with 4 square meters in size plane and has uniformity illumination. The luminous intensity distribution curve shape is a batwing distribution and the maximum luminous intensity around 27° which compares with 0° approximately is 0.71. We focus on the design of LED lens using the LightTools software to improve the light distribution of white light LED. After the luminous intensity distribution curve design is completed, the lamp needs nine LEDs to enable the work plane approximately to have 300 Lux. Next, we optimize the lamp to enhance the uniformity illumination on the work plane. The uniformity illumination is promoted to 0.9.
    For the illumination analysis issue, we use the LED lamp and the fluorescent lamp in the indoor space making the comparison. According to the comparison results, the utilization factor of the LED lamp is 0.682 higher than the utilization factor of the fluorescent lamp is 0.394. The LED lamp produces 100Lux which needs 2.29W is smaller than the fluorescent lamp produces 100Lux which needs 2.56W in the unit area (1m2). It proved that the LED lamp has low consumption when compares to that of the fluorescent lamp.

    摘要Ⅰ AbstractⅡ 誌謝Ⅲ 文目錄Ⅳ 圖目錄Ⅶ 表目錄Ⅹ 第一章 緒論1 1.1 前言1 1.2 研究動機與目的1 1.3 論文架構2 第二章 高功率白光LED介紹4 2.1 傳統光源之介紹4 2.1.1 白熾燈泡4 2.1.2 石英鹵素燈4 2.1.3 螢光燈4 2.2 LED的發光原理5 2.3 高功率白光LED介紹6 2.3.1 多晶型RGB LED6 2.3.2 藍光晶片+黃色螢光粉7 2.3.3 UV晶片+RGB三色螢光粉8 2.4 出光效率8 2.5 高功率LED散熱問題11 2.5.1 封裝層次12 2.5.2 電路板層級13 2.5.3 散熱模組13 第三章 高功率白光LED之特性量測14 3.1 積分球儀器之介紹14 3.2 積分球量測項目之介紹15 3.2.1 CIE色度座標15 3.2.2 光通量17 3.2.3 色溫21 3.2.4演色性22 3.3 實驗量測結果24 3.3.1 樣品A之量測24 3.3.2 樣品B之量測26 3.3.3 量測結論28 第四章 LED透鏡設計與優化30 4.1 照明燈具的基本特性30 4.1.1 燈具近似點光源之極限30 4.1.2 配光曲線31 4.1.3 照明光場32 4.1.4 入射角的餘弦定律34 4.2 光學模擬流程36 4.2.1 LightTools 光學軟體簡介36 4.2.2 模擬流程36 4.3 透鏡模擬設計38 4.3.1 光源的建構38 4.3.2 LED透鏡尺寸40 4.3.3 透鏡設計41 4.4.4 光均勻度52 第五章 LED照明分析設計58 5.1 照明品質的定義58 5.1.1 眩光58 5.1.2 均勻度60 5.1.3 耗電量60 5.2 照明選取61 5.2.1 照明計算61 5.2.2 工作面照度63 5.3 照明空間模擬64 5.3.1 DIXLux照明軟體簡介64 5.3.2 LED燈具照明空間模擬64 5.4 日光燈與LED燈之比較70 5.4.1 螢光燈照明空間模擬70 5.4.2 螢光燈與LED燈之比較74 第六章 結論與未來展望75 6.1 結論75 6.2 未來展望76 參考文獻77

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