以自由曲面之優化方法設計二次光學元件｜國立中央大學博碩士論文系統

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研究生：	林子堯 Lin-Tzu Yao
論文名稱：	以自由曲面之優化方法設計二次光學元件 Optimization Method of Free-form Surface used design Secondary lens
指導教授：	張榮森 Rong-Seng Chang
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 光電科學與工程學系 Department of Optics and Photonics
論文出版年：	2015
畢業學年度：	103
語文別：	中文
論文頁數：	92
中文關鍵詞：	自由曲面
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在本論文中，基於基本幾何光學原理之下，建構透鏡式與反射杯兩種自由曲面二次光學系統的初始系統模型，搭配使用 TracePro 軟體的 2D/3D 互動式優化器繪製模型，使用Downhill simplex method進行自由曲面的自動優化，將直徑 300mm 表面光源的二次光學系統收光角度設計在 9 度以內。由此方法可以避免不斷重複的調整模型和重新設置參數，大幅縮短所花費的時間，在短時間之內就能優化出精準配光的自由曲面光學元件，而設計出的自由曲面二次元件與相同尺寸之非自由曲面元件，其收光角度優化了15度~17度。

In this thesis, we built two types of initial model of free-form surface secondary optical system, lens and reflector based on principles of geometry optics. Then use 2D/3D interactive optimizer of TracePro to create initial model, and automatic optimization of free-form surfaces. The beam angle (50% lv) of the secondary optical system on 300mm diameter surface light source is 9 degrees or less. Apply this method, we avoiding repeated re-set parameters and adjust model, significantly reducing the time it takes. Finally we got the best model of high precision free-form surface secondary optical element in a shorter time.

摘要 ........................................................................................................ I 
ABSTRACT ........................................................................................ II 
致謝 ..................................................................................................... III 
目錄 ..................................................................................................... IV 
圖目錄 ............................................................................................... VII 
表目錄 ................................................................................................. XI 
第一章 緒論 ................................................................................... 1 
1-1 前言 ..................................................................................................... 1 
1-2 照明光源演進史 ................................................................................. 3 
1-3 研究動機與目的 ................................................................................. 8 
1-4 論文大綱 ............................................................................................. 8 
第二章 LED 發展與原理介紹 ................................................... 10 
2-1 LED 發展歷史 ................................................................................. 10 
2-2 LED 發光原理 ................................................................................. 14 
2-2-1 基本原理 .......................................................................................... 14 
2-2-2 電子轉移機制 .................................................................................. 17 
2-2-3 注入機制 ........................................................................................... 20 V 
 
2-3 發光效率與量子效率....................................................................... 23 
2-4 輻射光譜 ........................................................................................... 26 
第三章 基本原理 ......................................................................... 29 
3-1 幾何光學 ........................................................................................... 29 
3-1-1 費馬原理 ........................................................................................... 29 
3-1-2 反射定律與折射定律 ....................................................................... 30 
3-1-3 全反射 ............................................................................................... 33 
3-2 光度學 ............................................................................................... 34 
3-2-1 光度學基本概念 .............................................................................. 34 
3-2-2 光度計量單位 .................................................................................. 36 
3-3 二次光學系統 ................................................................................... 39 
3-3-1 何謂二次光學 ................................................................................ 39 
3-3-2 TIR 透鏡原理 ................................................................................. 41 
3-3-3 反射杯原理 ...................................................................................... 43 
第四章 TracePro 軟體介紹 .......................................................... 45 
4-1 TracePro 簡介 .................................................................................. 45 
4-2 Tracepro 軟體使用介紹 ................................................................. 49 
4-2-1 TracePro 主要介面介紹 ................................................................... 49 VI 
 
4-2-2 TracePro 設計及分析流程 ............................................................... 50 
4-3 TracePro 2D/3D 互動式優化器 ...................................................... 54 
4-3-1 2D/3D 互動式優化器介紹 ............................................................... 54 
4-3-2 2D Interactive Optimizer 繪製及優化流程 ...................................... 56 
第五章 二次光學元件設計與優化流程 ........................................ 59 
5-1 光源繪製與參數設定....................................................................... 59 
5-2 反射杯優化過程 ............................................................................... 60 
5-3 反射杯優化結果 ............................................................................... 63 
5-4 透鏡優化過程 ................................................................................... 65 
5-5 透鏡優化結果 ................................................................................... 67 
5-6 自由曲面設計結果比較 .................................................................. 70 
第六章 結論 ..................................................................................... 72 
6-1 結論 ................................................................................................... 72 
6-2 未來展望 ........................................................................................... 72 
文獻參考 ............................................................................................. 74
                                

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