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產品知識  Product Knowledge

光線追蹤分析

準備進行二次光學設計之前,我們可從各廠家所提供的「LED產品規格書」內,得知該LED相關的發光特性,必須擁有這些發光特性才能進行二次光學的模型建立。

任何人都知道「光」是以直線前進;若照到不同介質阻隔物時,會產生「反射」與「折射」兩種現象;若照到透明介質表面時,會發生「透射」與「吸收」兩種現象,除了以上現象,還有「干涉」、「繞射」與「偏光」等現象,這些現象都存在著各自獨立的數學關係;光的前進過程如此複雜,透鏡的形狀設計就必須仰賴專業的軟體來進行分析。

模型建立

透鏡的形狀非常單純,複雜的是尺寸的認定。我們採用「TracePro」光線追蹤軟體提供的「2D優化器2D Interactive Optimizer」編輯器,來進行尺寸的初步觀察與確認。

所有的模型尺寸皆不變,只有出光面進行改變,求得結果如下:
出光面尺寸6mm結果:

出光面尺寸7mm結果:

出光面尺寸8mm結果:

出光面尺寸9mm結果:

出光面尺寸10mm結果:

出光面尺寸12mm結果:

透過尺寸微調並觀察結果得知,要做到出光角度小的透鏡,並非單純將出光面擴大或縮小就能辦到,光線穿透介質與「入射光」存在一個「司乃耳定律」之關係,又稱為「折射定律」

反覆觀察後,將效果最符合需求的尺寸匯入TracePro主程式內,並為各模型指定材質,接著在代表LED發光表面上設定光源,為了快速得知結果,光源的參數設定暫時省略,我們以程式內建的「Cree XP-E While 2600-3700K」進行範例說明;為了增加結果的準確性,光線總數設定10萬條,並在「波長」選項內輸入此型號所擁有的波長範圍.如圖例:

設定完後,即可開始進行光線追蹤的運算:

運算完成的結果,會發現10萬條光線佈滿整個視窗:

由於光線行進路徑並不是我們要的結果,將顯示的光線數量調降至總數的1%:

調整角度至方便觀察的位置:

由此圖可得知,少部份光線從底部射出,降低了光線利用率,此「漏光現象」必須由後續的燈具結構來補強,並將光線儘可能導回我們期望的出光面。

透過上面的步驟,確定大部份的光線皆落在我們期望範圍內之後,接著,我們在出光面的前方10公分處,建立一個可涵蓋所有光線路徑範圍的平面元件:

重新進行光線追蹤的運算:

顯示所有10萬條光線路徑並不利於眼睛的觀察,將顯示的光線數量調降至總數的1%:

觀察這個平面元件是否有將大部份的光線包含進來:

可以利用「輻射度/光照度分析圖」來進行觀察:

使用「顏色等照度」圖形來分析入射光通量的強度分佈:

使用「等高線」圖形來分析入射光通量的強度分佈情形:

使用「CIE(x,y)」圖形來分析入射光通量的波長分佈情形:

使用「全彩」圖形來分析照射面的實際顏色分佈情形:

也可利用「Candela(坎德拉)圖」以照明燈具格式來分析配光曲線

唯有透過以上的分析,才能創造企業的核心技術,並以具科學理論的方式來滿足客戶的需求。產品開發的成敗攸關客戶的信任度與企業的永續經營能力。

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