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研究生: 陳妍郿
Yan-Mei Chen
論文名稱: 應用於自然光照明系統之自由曲面微透鏡準直器
Free-Form Microlens Collimator Design for Daylighting System
指導教授: 黃忠偉
Jong-Woei Whang 
口試委員: 林宗翰
Tzung-han Lin
李宗憲
Tsung-Hsien Li
趙涵捷
HanChieh Chao
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 光電工程研究所
Graduate Institute of Electro-Optical Engineering
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 54
中文關鍵詞: 自然光照明系統自由曲面準直器
外文關鍵詞: Natural Light Illumination System, Free-form lens, Collimator
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隨著人類文明的發展,能源的消耗量也與日俱增,有鑑於能源危機、地球暖化,太陽能源的發展已經成為綠能產業中主要趨勢,越來越多學者投入自然光照明的領域,因而設計出將太陽光直接傳遞至內部照明的採光系統,稱為自然光照明系統。自然光照明系統分為三個子系統:集光、傳光以及放光,整個系統的效率為三個子系統效率的相互疊加。其中,集光系統出光口的光線角度分佈雜亂,角度偏折的光線會在傳光系統中發散,無法傳遞至放光子系統,造成整體效率下降。
因此,本論文提出了一個自由曲面微透鏡準直器,透過虛擬面的設置,了解光磚出口光線的角度與分布,針對非準直的光線來設計微透鏡,透過不同曲率的透鏡將不同角度的光線折射成近平行光,最後將許多微透鏡組合成一自由曲面微透鏡準直器,應用在光磚出口,來提高光線在集光子系統內傳輸的效率,讓傳光模組能傳遞足夠的流明數至室內進行室內照明。通過這樣的準直器設計後,成功的將光線收斂至±2°,出光口的耦合效率為82%。


Due to the energy crisis, each country takes environmental issues seriously. Renewable energy has become the most popular research topics. Among renewable energy sources, the sunlight is the most abundant and distributed widely, many researches have developed daylighting systems to save electricity consumption. Natural Light Illumination System (NLIS) is one of the daylighting systems that transform the natural light for interior illumination. The NLIS system is composed of three sub-systems, light collection, light transmission, and light emission. The overall efficiency of the NLIS is the sum of the three subsystems. Due to the refraction of light in different mediums of NLIS, the angle of the light is changed, this change resulted in reduction of transmission to the interior.
This paper presents an innovative freeform lens used in NLIS, which combines free-form lens to produce parallel beam and increases the natural light efficiency for interior illumination. We establish a surface to analysis the light distribution, such as the location, angle, and energy. When the collimator is manufactured, the positions of lens are adjusted so that parallel beams can be obtained, and the collimator is able to gather more energy from the collection system and insert into the transmitter system.
These results lead to a desirable performance for the collimator, the rays converge to ± 2 °and bring the efficiency up to 82%.

摘要 i ABSTRACT ii 誌謝 iii 目次 iv 圖次 vi 表次 viii 第 1 章 緒論 1 1.1研究背景 1 1.2研究動機 2 1.3解決方式 3 第 2 章 自然光照明系統簡介 5 2.1常見日照系統比較 5 2.2自然光照明系統 6 2.2.1 定日鏡系統 6 2.2.2 集光子系統 8 2.2.3 傳光子系統 10 2.2.4 放光子系統 11 第 3 章 光學基礎理論 13 3.1基本照明單位量 13 3.1.1 光通量 13 3.1.2 照度 13 3.1.3單位立體角 14 3.1.4 輝度 15 3.2 費馬定理 15 3.3 司乃爾定律 (Snell’s Law) 16 3.4反射定律 17 3.5 光展量 18 3.6 光纖材料特性 19 3.6.1 全反射現象與光纖構造 19 3.6.2 光纖數值孔徑 20 3.6.3 光纖傳遞能量的損失 21 3.6.4 光纖材料與耐熱 22 3.7 稜鏡結構 23 第 4 章 自由曲面(Freeform) 27 4.1幾何光學分析 27 4.1.1折射面分析 27 4.1.2反射面分析 28 4.2自由曲面建模 30 第 5 章 設計概念及流程 31 5.1設計流程 31 5.2設計概念 32 5.3應用架構 33 第 6 章 NLIS光磚出口之應用設計 34 6.1網格切割分析光線分布 35 6.1.1分析面建立位置 35 6.1.2網格切割 36 6.2.2 單一透鏡 38 6.2完整自由曲面透鏡建構 39 第 7 章 模擬結果分析與討論 41 7.1模擬參數以及初始條件設定 41 7.3光線追跡 42 7.4應用於光磚出口之效率比較與分析 44 第 8 章 藝境植物牆之應用設計 47 8.1 藝境結構 47 8.2 圓盤光磚 48 8.3 應用架構 49 第 9 章 結論與未來展望 51 9.1結論 51 9.2未來展望 52 參考文獻 53

[1] 綠色能源發展趨勢
http://www.yfes.tn.edu.tw/environment/main4.files/4-1.htm
[2] 張善政,2014,台北「能源國家型科技計畫與發展替代能源以實現非核家園的能源自主進程」,國家科學委員會專案報告
[3] 黃瑋,2008,台北,應用於室內照明之自然導光拋物體集光器設計,碩士論文,國立台灣科技大學電子工程系碩士論文
[4] Wehrmann, A., Puttnins, S., Hartmann, L., Ehrhardt, M., Lorenz, P., and Zimmer, K. "Analysis of laser scribes at CIGS thin-film solar cells by localized electrical and optical measurements." Optics & Laser Technology 44, no. 6 (2012): 1753-1757.
[5] Alhajri, M. F., El-Nagger, K., Airashidi, M. R., and Al-Othman, K. A. "Optimal extraction of solar cell parameters using pattern search." Renewable Energy 44 (2012): 238-245.
[6] Scartezzini, J. L., and Courret, G. "Anidolic daylighting systems." Solar Energy, Vol.73, No.2, pp.123-135(2002).
[7] Laikin M, Lens Design, New York: Marcel Dekker, 1991
[8] Chou, K.H., Chen, Y.Y., and Whang, A.J.W., An optical switch of natural light guiding system based on cubic structure with Fresnel surface, Proceedings of SPIE 7428, 74280O (2009)
[9] Whang, A. J. W., Chen, Y. Y., Yang, S. H., Pan, P. H., Chou, K. H., Lee, Y. C., and Chen, C. N. "Natural light illumination system." Applied optics 49.35 (2010): 6789-6801.
[10] 馬啟唐,2011,台北交錯式雙層透鏡陣列應用於自然光照明系統之靜態式集光器,國立台灣科技大學,碩士論文
[11] 王明政,「稜鏡陣列結構用於自然光照明系統之靜態式集光器」,碩士論文,國立臺灣科技大學,臺北(2013)
[12] 陳偉安,2012,台北,「具光學結構設計之高效率傳光管」,國立台灣科技大學光電工程研究所,碩士論文
[13] 何友瀚,2013,台北「設計可用於多光源的自由曲面透鏡應用於自然光照明系統」,國立台灣科技大學光電工程研究所,碩士論文
[14] 張政民,2013,臺北,「自然光照明系統與LED人造光源之結合應用分析」,國立臺灣科技大學,碩士論文
[15] 林正淳,2010,台北,光學機構設計,太和印刷事業有限公司。
[16] 百度百科
http://baike.baidu.com/view/229022.htm
[17] Lin Wang, K. Q., and Luo, Y. “Discontinuous free-form lens design for prescribed irradiance”, Appl. Opt., Vol. 46, No. 18(2007)
[18] Mikhail, A., Moiseev, L. L. D., and Nikolay, L. K. (2011). Design of high-efficient freeform LED lens for illumination of elongated rectangular regions, 2011 Optical Society of America, Optics Express, Vol. 19, Issue S3, pp. A225-A233 (2011), 10 Mar 2011.
[19] Zhenrong, Z., Xiang, H., Xu, L., “Freeform surface lens for LED uniform illumination,” Appl. Opt. 48, 6627-6634 (2009).
[20] Zhao, S., Wang, K., Chen, F., Qin, Z., and Liu, S., “Integral freeform illumination lens design of LED based pico-projector,” Appl. Opt. 52, 2985-2993 (2013).
[21] 郝翔,2008,「基于自由曲面的LED照明系統研究」,浙江大學信息科學與工程學院,碩士論文
[22] 謝瑋哲,2011,台北,「非聚焦式自由曲面透鏡圓盤集光器」,國立台灣科技大學,碩士論文

無法下載圖示 全文公開日期 2020/08/07 (校內網路)
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