高準(zhǔn)直高效能LED警示燈
Time: 2020-03-14 08:06:33 Reads: 0 次 Edit:

　　

高準(zhǔn)直高效能LED警示燈
許朝欽1、陳奇夆2、呂明信3
1國(guó)立中央大學(xué)機(jī)械學(xué)系研究生 臺(tái)灣桃園縣中壢市五權(quán)里2鄰中大路300號(hào)、(03)4267392、[email protected]
2國(guó)立中央大學(xué)機(jī)械學(xué)系教授
3東育實(shí)業(yè)股份有限公司總經(jīng)理


摘要：設(shè)計(jì)一高準(zhǔn)直高效能LED警示燈，利用一LED燈罩，根據(jù)FWHM的定義使光源出射光的分布在正負(fù)三度以內(nèi)且均勻，再利用一反射鏡面，配合LED光源的燈罩設(shè)計(jì)，使垂直方向出射光分布在零到六度之間，水平方向則使用一柱狀鏡來分散水平方向的出射光，已達(dá)到均勻的目的。
關(guān)鍵詞：警示燈，LED，高準(zhǔn)直，高效能

　　前言

　　高度專業(yè)的警示燈普遍應(yīng)用在高樓建物、航海、航空等高度要求安全的場(chǎng)所，以臺(tái)灣地區(qū)為例，隨著建筑物的高度提升，許多大樓、煙囪都必須裝載障礙燈以維護(hù)飛航安全，另外海上與機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所都必須具備警示燈作為航道導(dǎo)引的光源來源，故市場(chǎng)上有越來越多的需求;但島內(nèi)目前市場(chǎng)上也因?yàn)槠毡榧夹g(shù)上的瓶頸，以生產(chǎn)一般警示燈為主，能夠生產(chǎn)航空、航海用等高級(jí)警示燈的公司幾乎沒有，以至于臺(tái)灣使用的警示燈常常必須向海外購(gòu)買，例如臺(tái)北101與臺(tái)灣高鐵皆花費(fèi)高額經(jīng)費(fèi)向國(guó)外采購(gòu)警示燈，故希望并且藉由技術(shù)突破，將可以創(chuàng)造出極高價(jià)值的產(chǎn)品。

1. 原理架構(gòu)與方法

　　主要用光學(xué)仿真軟件ASAP來做光線追跡和統(tǒng)計(jì)與仿真數(shù)據(jù)的程序。
   
1.1 LED光源的燈罩

　　首先我們利用實(shí)驗(yàn)室學(xué)長(zhǎng)設(shè)計(jì)出的一個(gè)準(zhǔn)直LED燈如圖1所示，其結(jié)果可如圖2所示發(fā)散角度在-3～3度之間，其均勻性可達(dá)83.6%如圖3所示
 

 

 


1.2 警示燈內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.反射鏡面：

　　利用反射定律：入射角等于反射角，且入射線不變時(shí)，平面鏡轉(zhuǎn) 角，反射線則改變?yōu)?角平面鏡成像。

　　我們利用這反射鏡面將光線反射到四面八方因?yàn)槟繕?biāo)垂直發(fā)射角度：0～6°，而準(zhǔn)直LED燈發(fā)散角度在-3～3度，故反射光線需要旋轉(zhuǎn)3度，則鏡面只需旋轉(zhuǎn)1.5度，所以反射鏡面與水平的角度為45+1.5=46.5度，其設(shè)計(jì)如圖4。
 

　　將單一個(gè)準(zhǔn)直LED燈往上打的光經(jīng)過反射面后，向上的準(zhǔn)直光線反射至水平方向，可以測(cè)出光的垂直發(fā)散角度在0～6度間，水平發(fā)散半強(qiáng)角度在-8～8度間，水平方向的照度均勻度只有36%，如圖6所示；圖5為待檢測(cè)面示意圖，因?yàn)檎斩确植紩?huì)成環(huán)形對(duì)稱，故圖7光照度分布圖只擷取0～30度的范圍

 

 
 

 

2.柱狀鏡：

　　因?yàn)樵谒椒较虻木鶆蛐圆⒉皇呛芾硐?，只?6%而已，故我們利用光線折射的特性，設(shè)計(jì)一柱狀鏡來使光線在水平方向的分布可以更加的均勻，光路示意圖如圖8所示


 

　　如此利用柱狀鏡使水平方向?yàn)橐粋€(gè)發(fā)散的光線，示意圖如圖9、圖10.
 

 

　　將經(jīng)過反射鏡面的光經(jīng)過折射罩后，可以量測(cè)出光的垂直發(fā)散角度還是在0～6度間，但水平發(fā)散半強(qiáng)角度已散至約在-25～25度間，而水平方向的照度均勻度增加至63%，如圖12、圖13所示；圖11為待檢測(cè)面示意圖

 

 

 

　　3.結(jié)果

　　將LED光源的燈罩、反射鏡面及柱狀鏡組合起來，整體結(jié)構(gòu)圖如圖14所示，作整體系統(tǒng)的光分布調(diào)控，利用ASAP光學(xué)仿真軟件，將待檢測(cè)面放置在八公里外，如圖15、圖16所示。
 


 
 

　　所測(cè)量之強(qiáng)度分布圖如圖17所示，紅色線部分代表垂直方向之光強(qiáng)度分布，有達(dá)成目標(biāo)垂直發(fā)射角度：0-6°，光照度分布圖如圖18所示，其照度均勻度達(dá)50%


 

 

　　4. 結(jié)論

　　在本篇研究中LED警示燈之設(shè)計(jì)，在放置準(zhǔn)直且均勻LED燈罩、反射罩與折射照之整個(gè)系統(tǒng)用光學(xué)軟件仿真最后結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在8公里外偵測(cè)面之光線垂直發(fā)射角度約在0-6°，而整體(6顆LED)輸出有效光均勻度大約為50%；由于這類產(chǎn)品應(yīng)用的環(huán)境是安全高度要求的場(chǎng)所，所以會(huì)依照不同場(chǎng)所再訂定出有關(guān)燈具光強(qiáng)度(cd/m2)、可視距離及角度等使用規(guī)范，而上述的結(jié)果則有達(dá)到相關(guān)之規(guī)范。

參考文獻(xiàn)

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2. .H. Kanayama, M. Maeda, T. Miwa, T. Ikeda, H. Murata, and K. Chihara, “Ultra Small Projector with High Efficiency Illumination System,” Consumer Electronics, ICCE Digest of Technical Papers,  pp.127-128, (2006).
3. H. M. Keuper, G. Harbers, and S. Paolini, “RGB LED Illuminator for Pocket-Sized Projectors,” SID Symposium Digest of Technical Papers, Vol. 35, pp. 943-945, (2004).
4. M. P. Krijn, B. A. Salters, and O. H. Willemsen “LED-based mini-projectors,” SPIE vol. 6196, 619602, (2006)

　　(該文章出自2008中國(guó)光電產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集)