中央透鏡設計

首先進入 Code V 光學軟體，在使用見面上建立參數，將透鏡、光源參數設 定完成，二維空間表示如圖(4.4.2-1)與參數設定表(4.4.2-1)，可以清楚看到光 源和透鏡之間的相對位置。

光圈的位子設定在第一面透鏡。

圖(4.4.2-1)二維空間分布

表(4.4.2-1)參數設定表

完成了上述的參數設定，接下來開始設計中央透鏡，設計得方式與大角度收 光不同，中央透鏡將使用凸透鏡收光設計，將光線集中在中央，設計方式使用 Code V 中優化運算元，自動優化運算可以方便、最佳的達到目標，但需要花時 間，如何設定運算條件是重要如圖(4.4.2-2)，我們將光源分成五等分，等比例 分配光線，對應到適當位置，達到收光效果。

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圖(4.4.2-2)優化幾何關係圖

在優化前，先設定可改變得參數，軟體會計算出符合你的優化條件下最佳的 值，先設定入射面為非球面，然後將取率、曲面係數、四階、六階、八階係數設 定成變數，因在加工製造上的難易取至八階，如表(4.4.2-2)。

表(4.4.2-2)優化的變數設定

優化條件如表(4.4.2-3)、變數設定、模型的建立完成後，進行優化，經過 優化完成，在接收器上照度分布如圖(4.4.2-3)，可以看出光線往中間集中，設 計出來的透鏡為凸透鏡，然而將 Code V 設計完成的凸透鏡，重建在 LightTools 軟體中，使用 LED 光源檔模擬，檢測與設計目標是否符合。

表(4.4.2-3)優化條件設定

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圖(4.4.2-3)優化照度圖

建立在 LightTools 中如圖(4.4.2-4)，透鏡的位子在正中心，為非球面凸透 鏡，使用光學模擬來進行檢測，是否有達到設計的目標。

圖(4.4.2-4)中心透鏡建立

凸透鏡模擬的照度分布圖(4.4.2-5)，可以看到中心的照度較高，越往外照 度降低，與設計目標相符，中心透鏡的設計完成。

圖(4.4.2-5)中心透鏡照度圖

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完成了 FH1A 得透鏡設計架構，在整個設計的流程中，達到設計的目的，但 是否達到設計規格，使用光學模擬檢測如圖(4.4.2-6)照度分布及表(4.4.2-4) 照度值所示，設計出來的結果非常的均勻，均勻度足夠，但中間的照度是非常不 足，需要增加照度。

圖(4.4.2-6)透鏡組合照度分析圖 表(4.4.2-4)透鏡組合照度值(Lux) FH1A 設計結果討論，由照度圖可以看出分布均勻，但是中心的照度不足，

接下來的目標是將中心的照度提升，達到設計規格，思考是否有何辦法可以將光 線往中央集中，若是將某一層設計成往中央集中，可以解決此問題，但是有可能 均勻度會下降，所以從既有的設計架構，找出還可以使用的光能量來做設計。

我們發現在中心透鏡與第一個全反射層之間有未設計的區域，如圖(4.4.2-7) 所示，其中的黃色部分是可以進行設計的區域，若是在裡面建立一個增加中央照 度的設計，這樣就能兼顧到中央與邊緣的照度，達到符合設計規格。

圖(4.4.2-7)透鏡設計完成 X Y

-531.5 0 531.5 404 32.972 32.561 29.611

0 35.796 33.775 32.246 -404 33.330 32.727 30.590

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在此範圍內設計的聚光面幾何關係如圖(4.4.2-8)，在 0.3 厘米的距離 間設計一個收光面，光收在接收器的中央，增加中心照度。

圖(4.4.2-8)中央聚光面幾何圖

此範圍內建立另一個凸透鏡的收光面，讓光線更往中央集中如圖(4.4.2-9) 照度圖、表(4.4.2-5)照度值表，使用光學模擬的照度分布如圖(4.4.2-10)，達 到預期設計目的，到目前為止透鏡設計完成，接下來就看設計的結果。

圖(4.4.2-9)另一凸透鏡收光設計

圖(4.4.2-10)中心透鏡照度圖 表(4.4.2-5)中心透鏡照度值(Lux) X

Y

-531.5 0 531.5 404 4.437 14.445 3.734 0 9.271 40.218 7.799 -404 5.371 16.223 4.501

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FH1A 設計完成的結構如圖(4.4.2-11) FH1A 結構圖，使用光學模擬的照度 圖，如圖(4.4.2-12) FH1A 照度圖、表(4.4.2-6) FH1A 照度數值，在不同角度的 光能均能有效的利用，並且達到設計的目標，符合設計的規格，是一個成功的案 例設計。

圖(4.4.2-11)FH1A 結構圖

圖(4.4.2-12)FH1A 照度圖 表(4.4.2-6)FH1A 照度數值 完成了 FH1A 的設計，但這是最佳的嗎?是否還可以達到更佳的結果，下一節 是在探討如何找到最佳設計，找到設計極限。

X Y

-531.5 0 531.5 404 29.937 31.501 26.562

0 33.544 49.106 29.059 -404 30.840 32.619 27.767

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