作者：陳炳瑞、楊朝欽 老師：楊朝欽 學生：張仲賢 多重拋物反射面照明系統 作者：陳炳瑞、楊朝欽 老師：楊朝欽 學生：張仲賢
關鍵詞：拋物反射面、LED 照明燈、TIR 透鏡。 設計步驟： 1.建模軟體Solidworks製作模組 2.以光學模擬軟體FRED建立LED光源及透鏡進行光線模擬 此研究照明系統特點是光線經由拋物反射面將光線平行射 至前方，其特色是將一般點光源的90 度發散光修正為平行 光，再加入透鏡，有利於光線集中、均勻度提升及降低眩 光，之後再製作一個傳統的TIR 透鏡互作比較，再觀察兩 組燈具的照度，可以發現當出光口大小相同時，此研究所 提出的使用改良型TIR 透鏡的照明燈體積較小。 關鍵詞：拋物反射面、LED 照明燈、TIR 透鏡。 摘要 前言 主要 內容 結論
受環境趨勢的影響：照明所使用的能量約佔所有用電量的三分之 一，尤其近年來世界各國受到能源短缺及地球暖化之影響，除了 積極開發綠色能源之外，同時針對高耗能的電器產品都加以規範 並改良[1]，各國從2009年開始陸續停止生產、禁用白熾燈泡，宣 告了LED照明新世代的來臨。 較傳統照明系統有優勢：發光二極體(Light Emitting Diode, LED)的發光效率高(比鹵素燈泡高，與螢光燈相約)、節省耗能(白 熾燈泡的20倍、螢光燈的5倍)、反應(開關)時間快、使用壽命長( 可 達到35000~50000小時)、耐震度高、體積小、便於聚焦及色 域豐富[2]，而LED也就在這種環保節能及多優點的意識下而大量 應用於各種照明系統，如背光模組、室內、外照明、 街燈、車燈 以及交通號誌燈等[3]。 研究重點：在1997年WilliamA.Parkyn與DavidG.Pelka將1993年 所發表的TIR透鏡為基準，另設計一Collimating TIR透鏡，應用 在LED光源上，功能為將 LED光源準直出光[4]，但LED的光通量( 亮度)小，發光效率不夠高[5]。此研究使用3個拋物面反射罩，由 焦點所發出的光線透過拋物面反射罩會平行主軸射出，也將亮度 較強的光更集中、均勻。 摘要 前言 主要 內容 結論 [1]陳金嘉、林建興(2010)，光導式車燈模組之改良設計，智慧生活科技研討會，勤益科技大學，1209-1214頁。 [2]廖顯奎、陳建安(2007)，高功率白光發光二極體之混光設計優化和光學設計，國立台灣科技大學，電子工程系，碩士論文，未出版。 [3]陳金嘉、黃立霖(2010)，室內照明用之自由曲面透鏡設計，智慧生活科技研討會，勤益科技大 學，1185-1189 頁。 [4]陳炤彰、張鮮文(2007)，光學元件射出成形體積收縮與光學均勻性之研究，國立台灣科技大學， 機械工程系，碩士論文，未出版。 [5]孫慶成、彭偉捷(2005)，高功率 LED 之歐規汽車近光燈設計，國立中央大學，光電科學研究所，碩士論文，未出版。
何謂拋物線 拋物線架構圖 此研究的反射面均是使用拋物線製作 拋物線方程式為 y^=4fx 製作拋物線是從平面內到一定點和到 一條不過此點的定直線的距離相等的 點的軌跡，這一定點叫做拋物線的焦 點，定直線叫做拋物線的準線。 拋物線：右圖中，有一定直線L及不 在直線上一定點F，則在此平面上所 有到直線的距離等於到焦點F的動點P 所形成的圖形稱為拋物線。 直線(紫)L為準線，F點稱為焦點。過 焦點垂直準線的直線M(紅)稱為對稱 軸(簡稱) 軸，對稱軸與拋物線的交點 V 稱為頂點，V到F稱為焦距，拋物線 上兩點的連線段稱為弦，過焦點的弦 稱為焦弦。垂直對稱軸的焦弦P1P2( 藍虛線)稱為正焦弦。 準線 對稱軸 正焦弦 頂點 摘要 焦距 焦點 前言 正焦弦 主要 內容 弦 結論 拋物線架構圖
使用拋物線作為反射面的原因： 因為能將由焦點所發出的光線透過拋物面反射罩會平行主軸射出。使用建模軟體 SolidWorks 製作模組後如將模組匯入光學模擬軟體FRED 。模組的三個拋物反射面皆為 22.5 度，總出光口大小為 27.661mm 、長為13.836mm，之後再建立 LED 光源在透鏡的焦點(0,0,0)位置，建立 5.503mm 大小的透鏡 於焦距 X=7.739 的地方，如左圖所示。接著再建立 28mm 大小的分析面位於 LED 前方距離 X=50mm 處。 模組示意圖
光線*100 光線追跡圖 如圖所示，使用 100 條光線進行光線追跡。觀看後可知發散角 90 度的光線經過3個拋物反射面會平行射出，而中間沒經由拋物反射面的光線會通過透鏡而平行射出。
照度圖 使用 5 萬條光線進行模擬的照度圖，觀看照度圖後能發現亮度較強(以紅色表示)的光集中於分析面中央，光強度為 0.0136~0.0153W/mm^2， 由強至弱的光強度以 橘(0.0119~0.0136W/mm^2)、 黃(0.0102~0.0119W/mm^2)、 綠(0.0051~0.0102W/mm^2)、 淺藍(0.0017~0.0051W/mm^2) 表示呈現為圓形， 而最外圍的深藍色(0~0.0017W/mm^2) 就是光照度最弱的部分。
光斑圖 光斑圖可更明顯的看出光線經由三個拋物反射面所照射的光型。
製作一個傳統TIR 透鏡模組，TIR 透鏡是運用拋物反射面及透鏡製成，左圖為TIR 能將自然發散光線經由拋物反射面準直射出。 [4]陳炤彰、張鮮文(2007)，光學元件射出成形體積收縮與光學均勻性之研究，國立台灣科技大學， 機械工程系，碩士論文，未出版。
TIR 模組圖 使用 SolidWorks 製作TIR 透鏡模組並匯入光學模擬軟體後建立透鏡與LED 發光源，反射罩也是使用拋物反射面製作，模組的出光口大小一樣為 27.661mm、長為 33.468mm，而透鏡、LED 與分析面大小、位置皆相同，如圖所示。
光線*100 光線追跡圖 左圖為使用 100 條光線數進行光線追跡，會發現發散角 90 度的光線會經由外圍的拋物反射面和前方透鏡平行射出。
TIR 透鏡照度圖 使用 5 萬條光線進行光線模擬後觀看，如左圖，能發現亮度較強(以紅色表示)的光一樣集中於分析面中央，光強度為 0.0136~0.0153W/mm^2 由強至弱的光強度以 橘(0.0119~0.0136W/mm^2)、 黃(0.0102~0.0119W/mm^2、 淺綠到綠色為 (0.0051~0.0102W/mm^2)、淺藍色(0.0017~0.0051W/mm^2) 表示呈現為圓形， 但是中央以外的光 並不均勻。
TIR 透鏡光斑圖 左圖光斑圖可發現中央的光集中形成一個圓，但外圍的光較弱。
照度圖的比較 如上圖，將兩者的照度圖互作比較，兩者光強度相同，但能看出此研究所建立的模組(左者)比傳統 TIR 透鏡的照度集中，所呈現的照度圖也比較圓。
光斑圖的比較 將兩者光斑圖互作比較，左圖光線看得出來中間的光較強且可看出有 3 個 拋物面所反射的光型，而右者外圍的光線較弱。
模組大小的比較 將兩者模組大小比較，兩者出光口及透鏡大小與位置皆相同，但左圖模組的長度比右圖模組短 19.632mm。
結論 摘要 此研究所製作的多重拋物反射面燈具體積 較 TIR 透鏡小，故可縮小燈具所占的空間， 而將燈具縮小後光線照度也較 TIR 透鏡來 的集中、均勻。可應用於手電筒、室內、 外照 明燈、聚光燈及 LED 車燈。 前言 主要 內容 結論
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