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研究生: 葉秀軒
Shiow-Shiuan Yeh
論文名稱: 以檯燈設計為實例之發光二極體照明分析
Study of Light Emitting Diode Illumination on Design of Desk Lamps
指導教授: 王培仁
Pei-Jen Wang
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2008
畢業學年度: 96
語文別: 中文
論文頁數: 78
中文關鍵詞: 照明系統檯燈發光二極體
外文關鍵詞: Illumination System, Desk Lamp, Light Emitting Diode
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  • 隨著人類文明發展,照明已經廣泛地應用在人類生活中,因此消耗在照明上的能源也逐年增加。目前市售照明燈具之光源多為白熾燈泡或螢光燈管,面對照明能源消耗量及能源短缺問題,必須發展出更省電、環保的照明技術。高亮度白光LED具有高效率、耗電量低、使用壽命長等特點,且造成環境衝擊性較小,將其應用在照明上,在節約能源和環境保護上都是很好的選擇。而燈具設計中最重要的就是光學設計,首要任務為充分瞭解光源配光,透過光度量測實驗取得光源之配光資料,再依此資料在光學軟體中建立模擬光源,並加上其他光學元件,進行光線追跡模擬分析,如此才能得到準確的模擬成果。本論文發展出一套LED檯燈設計流程:先量測LED光源光強度以取得光源配光,接著在電腦輔助光學軟體中建立模擬用光源,確認模擬光源與實驗結果相符,並研究照明法規及照明設計文獻,利用光學軟體輔助進行檯燈設計,期待能設計出環保節能、符合法規之檯燈。


    In the development of civilization, illumination has been widely applied in human life along with increasing energy consumption year by year. Yet, since most light sources in the market are incandescent or fluorescent lamps, the needs for reduction in illumination energy due to energy shortage have enforced the development of energy efficient and environment friendly techniques. Due to the advantages in high efficiency, low power consumption, long performance life of high brightness white-light LED, applications of LED in illumination would be promising in both energy-saving and environmental protection areas. Optical design is most important in lamp design with the primary objective in candela distribution of the light sources. By obtaining the candela distribution data via luminous intensity measurements, simulations of light sources with optical analysis programs have based upon the measured data and other optical elements so that light-ray trace can be simulated. In this thesis, procedures for LED desk lamp design have been devised with first step in candela measurements of luminous intensity of the light sources. Secondly, simulation models of light sources are established into a simulation program with experimental verifications. Finally, a desk lamp is designed by using the optical analysis program so that the design could satisfy energy-saving, environment-friendly and JIS regulations.

    目 錄 摘 要 I Abstract II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖 目 錄 VII 表 目 錄 XI 第一章 簡介 1 1-1 研究背景 1 1-2 研究目的 3 1-3 文獻回顧 5 第二章 基本理論 9 2-1 光學原理 9 2-1-1 反射和折射定律 9 2-1-2 全反射 10 2-1-3 Fermat’s Principle 11 2-2 光度學單位名詞解釋 12 2-3 光源簡介 13 2-3-1 白熾燈泡 13 2-3-2 螢光燈 14 2-3-3 發光二極體 15 2-4 光度量測原理 17 2-5 電腦配光模擬分析流程簡介 18 2-6 檯燈法規簡介 20 第三章 問題分析 29 3-1 光度量測實驗 29 3-1-1 實驗規劃 29 3-1-1-1 工程建模軟體使用 29 3-1-1-2 實驗架構設計 30 3-1-1-3 實驗設備 31 3-1-2 實驗過程與數據處理 33 3-1-3 實驗結果分析 33 3-1-4 三次實驗誤差分析 35 3-2 光學軟體建立光源與配光模擬分析 35 3-2-1 光學設計分析軟體 35 3-2-2 光學軟體建立LED光源 36 3-2-2-1 LED光源建立方法選擇 36 3-2-2-2 LED模型匯入光學設計軟體方式 37 3-2-2-3 光線來源與光線追跡 37 3-2-3 LED光源建立結果分析與誤差討論 38 3-2-4 修改晶片排列方式與凹杯形狀之配光模擬分析 40 第四章 檯燈設計 57 4-1 檯燈設計概念 57 4-2 檯燈設計目標 58 4-3 檯燈反射面設計 59 4-3-1 設計方法 59 4-3-2 電腦配光模擬分析 61 4-3-3 模擬照度量測 63 4-4 效率計算 63 第五章 結論與未來工作 72 5-1 結果與討論 72 5-2 未來工作 74 參考文獻 77 圖 目 錄 圖 1 1 白光LED[7] 7 圖 1 2 LED發光效率預測圖[6] 7 圖 1 3 2006年高亮度LED市場應用結構圖[2] 8 圖 1 4 高亮度LED市場應用預測圖[6] 8 圖 2 1 反射定律示意圖 23 圖 2 2 折射定律示意圖 23 圖 2 3 入射面(Plane of Incidence) [5] 24 圖 2 4 全反射 24 圖 2 5 照度與距離平方成反比示意圖[11] 25 圖 2 6 輝度中所指的正射影面積示意圖[11] 25 圖 2 7 照度量測示意圖 26 圖 2 8 點光源與平圓板光源形成光強比較圖[1] 26 圖 2 9 電腦配光模擬分析流程圖 27 圖 2 10 燈罩遮蔽效果驗證配置圖[13] 28 圖 2 11 桌面照度量測範圍[13] 28 圖 3 1 精確旋轉底座 42 圖 3 2 Rhino建立之旋轉軸設計圖 42 圖 3 3 整體實驗架構 43 圖 3 4 檯燈設計用白光LED 44 圖 3 5 待測LED幾何尺寸圖 44 圖 3 6 Tes-1339數位式照度計 45 圖 3 7 Tes-1322A紅外線/熱電偶數位式溫度計 45 圖 3 8 旋轉軸之角度精度 46 圖 3 9 量測範圍示意圖 46 圖 3 10 量測角度和距離改變示意圖 47 圖 3 11 待測LED立體配光網格圖 47 圖 3 12 待測LED光強度方向標示圖 48 圖 3 13 待測LED基準垂直面上光強度量測值分佈圖 48 圖 3 14 待測LED、藍伯光源誤差百分比 49 圖 3 15 待測LED之三次實驗基準垂直面光強度量測值分佈圖 49 圖 3 16 待測LED之三次實驗誤差百分比絕對值 50 圖 3 17 Rhino建立待測LED模型 50 圖 3 18 Rhino模型匯入ASAP之立體顯示圖 51 圖 3 19 待測LED之晶片排列示意圖 51 圖 3 20 初始設定之LED模擬光源基準垂直面光強度分佈圖 52 圖 3 21 初始設定LED之基準垂直面光強度分佈圖模擬值與實驗值比較 52 圖 3 22 修正後LED模擬光源基準垂直面光強度分佈圖 53 圖 3 23 修正後LED基準垂直面光強度分佈圖模擬值與實驗值比較 53 圖 3 24 修正後LED模擬值與實驗值在量測角度光強度誤差百分比 54 圖 3 25 基準垂直面與φ=45°之垂直面上光強度分佈圖 54 圖 3 26 基準垂直面與φ=45°之垂直面在量測角度光強度誤差百分比 55 圖 3 27 圓形晶片排列與圓形凹杯晶片與總成示意圖 55 圖 3 28 LED為圓形晶片排列與圓形凹杯之光強度分佈圖 56 圖 3 29 原始LED、修改後LED及藍伯光強度分佈圖比較 56 圖 4 1 LED光源水平照射未加反射面之光形圖 65 圖 4 2 光源高度對應照度量測面示意圖 65 圖 4 3 初始反射平面設計圖 66 圖 4 4 初始反射面設計圖 66 圖 4 5 初始設計之光線追跡圖 67 圖 4 6 初始設計之光線落點分佈圖 67 圖 4 7 初始設計之光形與照度分佈圖 68 圖 4 8 修改後反射平面設計圖 68 圖 4 9 修改後反射平面設計圖 69 圖 4 10 修改反射面之光線追跡圖 69 圖 4 11 修改反射面之光線落點分佈圖 70 圖 4 12 修改反射面之光形與照度分佈圖 70 圖 4 13 模擬照度量測位置標示法 71 圖 5 1 論文研究流程圖 76 表 目 錄 表 1 1 白光LED製造方式與其用於照明之優、缺點 6 表 2 1 JIS C 8112檯燈照度規定值 22 表 4 1 模擬檯燈照度量測表 64

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