作者：陳炳瑞、楊朝欽 老師：楊朝欽 學生：張仲賢

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1 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

2 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

3 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， 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， 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。

4 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

5 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 度，總出光口大小為 mm 、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

6 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。

7 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 ~0.0153W/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。

8 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。

9 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。

10 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 mm、長為 33.468mm，而透鏡、LED 與分析面大小、位置皆相同，如圖所示。

11 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。

12 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 ~0.0153W/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。

13 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。

14 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。

15 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。

16 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 mm。

17 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

18 謝謝聆聽