陣列式LED檯燈照明燈具配光曲線之研究｜國立臺灣科技大學博碩士論文系統

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研究生：	李旻鴻 Ming-Hung Li
論文名稱：	陣列式LED檯燈照明燈具配光曲線之研究 A Study of Candela Distribution of LED Array-based Desk Lamps Illumination
指導教授：	蔡明忠 Ming-Jong Tsai
口試委員:	柯正浩 Cheng-Hao Ko 蘇忠傑 Jung-Chieh Su
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工程學院 - 自動化及控制研究所 Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年：	2009
畢業學年度：	97
語文別：	中文
論文頁數：	95
中文關鍵詞：	陣列式LED檯燈、照明模組、配光曲線、TracePro 、Fresnel透鏡
外文關鍵詞：	candela distribution, lighting module, LED array-based desk lamps, TracePro, fresnel lens
相關次數：	點閱：327 下載：7
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發光二極體LED(Light Emitting Diode)具有壽命長、無汞、節能環保以及低電壓之驅動特性，以LED作為照明模組及燈具將被視為未來發展照明應用中非常重要的一環，也將為最具代表性之綠色光源。目前有許多廠商投入LED照明燈具的開發應用，不過大多數都沒有注重燈具配光曲線的重要性。然而，要使得照明燈具有較佳的使用效率與照明品質，良好且均勻的配光設計是必要的。因此，LED照明燈具之配光曲線若能在設計時加以考量，將可大幅提升照明品質。本研究首先藉由數學理論方法推導出4X4陣列式LED照明模組中LED與LED之間距與受照面距離之關係，藉以獲得具有最大均勻照明分佈之模組設計參數。接著以LED檯燈照明設計為例，運用TracePro光學模擬軟體建構出4X4 LED照明模組，並搭配圓柱型反射罩組裝成一陣列式LED檯燈照明燈具，最後再以Fresnel平凹透鏡進行二次光學設計改變陣列式LED檯燈照明燈具之配光曲線，以期能達到其理想配光曲線之良好均勻照度以及能符合日本工業規格JIS(Japanese Industrial Standards)檯燈規範之目的。在藉由TracePro模擬驗證之後，其模擬結果顯示不僅符合JIS C 8112之AA型規範也符合照明手冊中工作面照度均勻度須為70%以上。所以透過本研究之研究成果確實能為日後LED照明燈具成為照明市場主流時，提供一個良好且有效率之設計方法。

LED(Light Emitting Diode) has the superior properties such as long lifetime, non-mercury, environmental protection and low voltage driving etc. Therefore, the lighting module and LED illumination are regarded as very important parts and one of the most representative green energies in the future lighting application. Recently, there are lots of companies who focus on the development and applications of LED illumination, but most of them ignore the importance of candela distribution. However, in order to improve the quality and efficiency of an illumination device, good and uniform candela distribution is essential. Therefore, the quality of lighting can be improved tremendously if the efforts can be done early in the candela distribution during the LED illumination design.
First, in order to obtain the parameters of the distribution of maximum average illumination, a mathematical theory was applied to obtain the characteristics of a 4x4 array-based lighting module in terms of the distance among diodes and the working plane distance. To consider the design of LED desk lamps, a 4x4 LED lighting module is constructed with the aid of optical engineering software (TracePro). Combined with a cylindrical reflector, the lighting module is then assembled into a set of array-based LED desk lamps. To idealize the uniform illumination of candela distribution and keep with JIS(Japanese Industrial Standards) pertaining to the regulation for desk lamps, a fresnel lens is employed to improve the candela distribution of array-based LED desk lamps. Verified with TracePro, the results indicate that the simulation is in conformity with both the AA requirement of JIS C 8112 and the regulation stated in lighting handbook that the index of working luminance uniformity must be over 70%. Therefore, this study here presents an efficient and well-organized designing method that could be helpful for the LED illumination industry to come.

摘要......................................................I
ABSTRACT.................................................II
誌謝....................................................III
目錄.....................................................IV
圖目錄..................................................VII
表目錄...................................................XI
第一章 緒論...............................................1
1 研究背景..............................................1
2 研究動機與目的........................................3
3 研究方法..............................................5
4 本文架構..............................................5
第二章 LED照明相關技術與文獻探討..........................7
1 發光二極體(LED)簡介...................................7
1.1 LED簡介.............................................7
1.2 白光LED.............................................8
2 光學特性模擬技術.....................................10
2.1 固體模型建立.......................................12
2.2 模型特性設定.......................................13
2.3 光源建立...........................................13
2.4 光源模擬結果分析...................................15
3 光度學與輻射度學.....................................16
3.1 光度與輻射計量單位.................................16
3.2 照度均勻性檢測與計算方式...........................19
4 配光曲線簡介.........................................21
5 LED照明模組..........................................25
6 Fresnel透鏡..........................................28
6.1 Fresnel透鏡簡介....................................28
6.2 平面Fresnel透鏡設計................................29
6.2.1 Fresnel環帶面向物空間............................29
6.2.2 Fresnel環帶面向像空間............................31
7 文獻探討.............................................33
第三章 陣列式LED檯燈照明配光設計與模擬...................36
1 檯燈相關規範介紹.....................................36
2 陣列式LED照明模組參數設計............................39
2.1 光度分析(Photometric Analysis).....................39
2.2 斯派羅準則(Sparrow Criterion)......................40
2.3 兩顆LED光源之照明模組..............................42
2.4 圓形環狀之陣列式LED照明模組........................45
2.5 線狀之陣列式LED照明模組............................48
2.6 矩形之陣列式LED照明模組............................49
3 LED光源模擬..........................................55
4 陣列式LED檯燈照明燈具設計............................59
4.1 陣列式LED照明模組與反射罩..........................59
4.2 Fresnel平凹透鏡改變陣列式LED檯燈配光曲線...........68
第四章 模擬結果分析與比較................................73
1 Fresnel平凹透鏡焦距為20 mm之模擬結果.................73
2 Fresnel平凹透鏡焦距為10 mm之模擬結果.................78
3 模擬結果分析比較.....................................82
第五章 結論與未來發展方向................................88
1 結論.................................................88
2 未來發展方向.........................................89
參考文獻.................................................91
附錄.....................................................94
作者簡介.................................................95

                                

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