簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 陳尹迪
Yin-Ti Chen
論文名稱: 具無焦透鏡與全反射透鏡之光準直器應用於自然光照明系統
An Innovative Light Collimator With Afocal Lens and TIR Lens for Daylighting System
指導教授: 黃忠偉
Jong-Woei Whang
口試委員: 趙涵捷
Han-Chieh Chao
孫沛立
Pei-Li Sun
陳鴻興
Hung-Shing Chen
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: 62
中文關鍵詞: 自然光照明系統光準直器無焦系統全反射透鏡
外文關鍵詞: NLIS, Collimator, Afocal system, TIR lens
相關次數: 點閱:230下載:3
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報

近年來太陽光成為替代能源中熱門議題之一,太陽光擁有足夠的能量並取之無窮,在綠色照明的概念佔有重要的地位,因此許多相關產業及學者紛紛投入其中。目前本實驗室研發了自然光照明系統,系統可分成三個部分: 集光、傳光以及放光。每個系統環環相扣缺一不可,其中因為集光系統的稜鏡單元會造成光磚出口有光線發散的現象,導致只有部分光線可以進入傳光系統,整體光模組效率因此不佳,對自然光照明系統最終端之成效影響甚距。
在此本論文提出一個具有無焦系統與全反射透鏡的光準直器,透過全反射透鏡來收斂發散的光束,並使用無焦系統來壓縮光束面積比例,解決光線無法進入傳光系統造成能量的損失。加裝上第二代光準直器後,光束可被收斂至± 5度之內,同時將傳輸距離從0m提升至0.8m,在這段傳輸距離中整體平均效率可提升10%。初代與第二代相較之下,從模擬結果可得知,第二代光準直器在各方面的數據比較幾乎皆優於初代光準直器。


Recently, sun light had become top issue of alternative energy. The sun light played an important role in concept of “green light”, because the sun light had sufficient energy and never run out. Then, many scholar and industry had participated in this issue. Therefore, we developed the Natural Light Illumination System (NLIS). The core of NLIS is to improve the sunlight utilization that directly using sunlight, and avoiding loss of energy transformation. This paper presents an innovative freeform lens used in NLIS. NLIS is used to guide the natural light indoors for illumination, which system is implemented in energy saving smart buildings to reduce energy consumption. In developing a daylighting system, the overall system efficiency is crucial. In the NLIS, whether the light propagates parallel strongly affects the efficiency.
This research presents a novel design which use TIR lens, convex lens and concave lens in the NLIS(Natural Light Illumination System). The TIR lens are used to collimate the light, then convex lens and concave lens are used to compression the area of exiting light. The light ray had converged within ± 5 degree after collimator fix on. Simultaneously, transmission distance had increased 0.8m from 0m and increased overall average efficiency 10%. t. Results also had shown that the efficiency in terms of achieving collimated light and collimation using collimator at the output of light collection system, is better than the systems without collimator and previous collimator.

目錄 摘要 v Abstract vi 目錄 viii 圖次 xi 表次 xiv 第1章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機與目的 2 1.3 章節概述 2 第2章 光學基礎理論 4 2.1 幾何光學基礎理論 4 2.1.1 反射定律(Law of Reflection) 4 2.1.2 司乃爾定律(Snell Law) 5 2.1.3 全反射(Total Internal Reflection)與臨界角(Critical angle) 6 2.1.4 焦距(Focal length) 7 2.1.5 透鏡成像公式 9 2.2 光度學基礎理論與照明常用單位 10 2.2.1 光通量(Luminous Flux, ∅) 10 2.2.2 立體角(Solid angle) 11 2.2.3 照度(Illuminance, E) 12 2.2.4 光強度(Luminous Intensity, I) 13 2.2.5 亮度(Luminance, L) 13 2.2.6 輻射度學與光度學 14 第3章 自然光照明系統介紹 16 3.1 常見日照系統介紹 16 3.2 動態式日照系統 16 3.2.1 HIMAWARI日照系統 16 3.3 靜態式日照系統 17 3.3.1 自然光照明系統 18 3.3.2 集光子系統 18 3.3.3 傳光子系統 19 3.3.4 放光子系統 21 第4章 自然光照明系統之集光器 22 4.1 模組化概念 22 4.2 光積木(SunLego) 22 4.3 光斧(LightAxe) 23 4.4 光磚(LightBrick) 23 4.5 光模組(SunModule) 23 4.6 集光器稜角產生問題 24 4.7 光線發散造成問題 25 4.8 解決方式 26 第5章 針對光磚出口之光準直器設計 27 5.1 設計目標 27 5.2 設計流程 28 5.2.1 建立反射面關係式 28 5.2.2 第一反射面 29 5.2.3 第二反射面 30 5.3 初代光準直器 31 5.3.1 初代準直器架構 31 5.3.2 初代準直器無法適用原因 32 5.4 無焦系統 33 5.4.1 無焦系統原理及特性 33 5.4.2 光束壓縮比例 34 5.4.3 無焦系統對光束的影響 34 5.4.4 無焦系統與全反射透鏡結合 35 5.5 第二代光準直器架構 35 第6章 模擬結果分析與探討 37 6.1 模擬流程分析及效率量化指標 37 6.1.1 模擬相關設定 37 6.1.2 效率量化指標 37 6.2 第二代光準直器之分析與比較 38 6.2.1 光追跡與坎德拉圖分析 38 6.2.2 光束之角度與能量關係分析 40 6.2.3 傳輸距離與光束寬度分析 40 6.2.4 傳輸距離與效率分析 41 6.3 初代與第二代光準直器之分析與比較 43 6.3.1 光追跡與坎德拉圖分析 43 6.3.2 光束之角度與能量關係分析 44 6.3.3 傳輸距離與光束寬度分析 44 6.3.4 傳輸距離與效率分析 44 第7章 光準直器應用於藝境 46 7.1 藝境簡介 46 7.2 自然光照明系統應用於藝境 46 7.2.1 整體架構 46 7.2.2 光準直器應用於傳光模組 47 7.2.3 光準直器應用於放光模組 48 第8章 結論與未來展望 49 8.1 結論 49 8.2 未來展望 50 參考文獻 51

[1]. 臺灣照明團隊,2009,「綠色照明」,臺灣照明團隊網頁,http://60.250.149.101/taiwanlightingteam/greenlighting_brief.html,2015/5/24。
[2]. 張善政,2014,「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,臺灣:臺北。
[3]. 謝宗衡,2014,「具微透鏡陣列與導光層之靜態平板集光器應用於自然光照明系統」,碩士論文,臺北:臺灣科技大學電子工程研究所。
[4]. 何雅潔,2014,「應用於日光集中器之高效率雙層耦合結構設計」,碩士論文,臺北:臺灣科技大學電子工程研究所。
[5]. Taiwan Electronic Packing Co,Ltd.,1995,「照明常用術語的定義」,Taiwan Electronic Packing Co,Ltd 網頁,http://twepc.com.tw/led/k2.htm,2015/6/10。
[6]. 張書豪,2013,「新式自由曲面耦合器應用於新式自由曲面耦合器應用於自然光照明系統」,碩士論文,臺北:臺灣科技大學電子工程研究所。
[7]. 陳盈家,2013,「新型之菲涅爾反射式集光器」,碩士論文,臺北:臺灣科技大學電子工程研究所。
[8]. La Forêt Engineering Co.,Ltd,2009,「向日葵技術概要」,日商佳珀科技工程股份有限公司網頁,http://www.jato-it.com/himawari/technology_1.php,2015/5/12。
[9]. A. J. W. Whang, Y. Y. Chen, S. H. Yang, P. H. Pan, K. H. Chou, Y. C. Lee, C. N. Chen, 2010,“Natural light illumination system,” Appl. Opt.49, 6789-6801.
[10]. 吳曉蓉,2014,「應用於自然光照明系統之自由曲面微透鏡陣列光準直器」,碩士論文,臺北:臺灣科技大學電子工程研究所。
[11]. 蘇韋少,2014,「針對現有集光模組之優化設計應用於自然光照明系統」,碩士論文,臺北:臺灣科技大學電子工程研究所。
[12]. 冼鏡光,2012,「基礎知識:DC望遠鏡頭倍率不足的迷思」,DCView.com網頁,http://www.yova.tw/home/news/bencandy.php?fid-6-id-432-page-1.htm,2015/4/21。
[13]. 施仁親,2011,「太陽光模擬器與新型LED太陽光模擬器簡介」,光達雙月刊,http://www.pida.org.tw/optolink/optolink_pdf/100039213.pdf,2015/07/31。
[14]. Whang. A. J. W, Y. Y. Chen, and Y. T. Teng, 2009, “Designing uniform illumination systems by surface-tailored lens and configurations of LED arrays,” Journal of Display Technology 5, 94-103 .
[15]. Whang. A. J. W, P. C. Li, Y. Y. Chen, and S. L. Hsieh, 2009, “Guiding light from LED array via tapered light pipe for illumination systems design,” Journal of Display Technology 5, 104-108 .
[16]. Xin, D., Liu, H., Jing, L., Wang, Y., Xu, W., & Lu, Z, 2013, “Design of secondary optics for IRED in active night vision systems,” Optics express 21(1), 1113-1120.
[17]. Yeh.S. C, A. J. W. Whang, H. C. Hsiao, X. D. Hu, and Y. Y.Chen, 2011, “Distribution of emerged energy for daylight illuminate on prismatic elements,” Journal of Solar Energy Engineering-Transactions of the Asme133 .
[18]. Whang. A. J. W, Y. Y. Chen, S. H. Yang, P. H. Pan, K. H. Chou, Y. C. Lee, C. N. Chen, 2010, “Natural light illumination system,” Appl. Opt.49, 6789-6801 .
[19]. Chen, J. J., Wang, T. Y., Huang, K. L., Liu, T. S., Tsai, M. D., & Lin, C. T,2012, “Freeform lens design for LED collimating illumination.” Optics express 20(10), 10984-10995.
[20]. Chen, J. J., & Lin, C. T, 2010, “Freeform surface design for a light-emitting diode–based collimating lens,” Optical Engineering 49(9), 093001-0930

QR CODE