行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
陣列式 LED 之光學元件設計分析與開發 研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型
計 畫 編 號 ： NSC 99-2622-E-011-013-CC3
執 行 期 間 ： 99 年 11 月 01 日至 100 年 10 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學機械工程系
計 畫 主 持 人 ： 陳炤彰
計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：湯峻清 碩士班研究生-兼任助理人員：詹家銘
公 開 資 訊 ： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 101 年 04 月 17 日
中 文 摘 要 ： LED 照明發展已行之有年，為提昇 LED 應用於室內照明燈具 之光效率與使用壽命及改善消費者所需之各種不同導光角 度，故本計畫與洋鑫科技股份有限公司合作，針對其公司所 生產 GL-MR (Multifaceted reflector, MR) 照明燈具模組 之二次光學元件進行相關研究。首先，以 TracePro 光學分 析軟體進行新型式的設計，期望在提升發光效率的條件下，
達到所要求之光束角。在新式樣模型之製程方面，將使用射 出成形的模造方式，並且藉由 Moldex3D 模流分析軟體進行新 式樣模組的二次光學元件之射出成形的流動波前、光學應 力、翹曲等方面進行分析，作為光學設計、模具設計與成形 參數補償與變更考量，實驗部分更經由成形視窗得知陣列式 光學元件之工作成形範圍。成品採用光學級塑膠材料進行模 擬分析與實驗，並以各項光學測試確定相關性能測試，最後 將研究成果提供廠商做為未來量產之建議。
中文關鍵詞： 射出成形, 模具設計, 多面反射型光學元件, 陣列式 LED 光 學元件, 共用性模組
英 文 摘 要 ： LED lighting has been developed for urgent demands and different types of secondary LED lens have also been designed to enhance the LED lighting system for indoor and outdoor lighting efficiency to obtain a variety of illumination angles. This project is to collaborate with the GlacialTech Inc. to develop a GL-MR (Multifaceted reflector, MR) lighting system of lens array optical element (LAOE). First, optical design of this LAOE has been proceeded with TracePro optical design software to analyze the lighting performance of different arrangement. Moreover, the LAOE is expected to have certain efficiency of lighting conditions and beam angle. Following the optical design, injection mold is designed by the simulation software, Moldex3D for injection molding of the second optical component based on filling behavior of flow front, warping, residual stress, and molding parameters for operation window. An
experimental mold has been manufactured and assembled for tests of finished LAOE and combined with
commercial LED module for optical performance tests.
Experimental results have verified the optical
design, mold design and also the injection parameters for desired performance. Results of this project has
been positively assisted the collaborated company for mass-production of related LAOE for commercial LED products. Further application of this result can focus on LAOE with micro structures for improving the LED lighting performance.
英文關鍵詞： Injection molding, Mold design, GL-MR (Multifaceted reflector, MR), LED Lens array, Common module
行政院國家科學委員會補助產學合作研究計畫成果精簡報告
計畫名稱：陣列式 LED 之光學元件設計分析與開發
計畫類別：□ 先導型 □ 開發型 ■ 技術及知識應用型 計畫編號：NSC 99－2622－E－011 －013－CC3
執行期間： 99 年 11 月 01 日至 100 年 10 月 31 日 執行單位：國立台灣科技大學
計畫主持人：陳炤彰 教授 共同主持人：
計畫參與人員：碩士生 2 人 湯峻清、詹家銘
附件二
研究摘要：
LED 照明發展已行之有年，為提昇 LED 應用於室內照明燈具之光效率與使用壽命及改 善消費者所需之各種不同導光角度，故本計畫與洋鑫科技股份有限公司合作，針對其公司 所生產 GL-MR (Multifaceted reflector, MR) 照明燈具模組之二次光學元件進行相關研究。首 先，以 TracePro 光學分析軟體進行新型式的設計，期望在提升發光效率的條件下，達到所 要求之光束角。在新式樣模型之製程方面，將使用射出成形的模造方式，並且藉由 Moldex3D 模流分析軟體進行新式樣模組的二次光學元件之射出成形的流動波前、光學應力、翹曲等 方面進行分析，作為光學設計、模具設計與成形參數補償與變更考量，實驗部分更經由成 形視窗得知陣列式光學元件之工作成形範圍。成品採用光學級塑膠材料進行模擬分析與實 驗，並以各項光學測試確定相關性能測試，最後將研究成果提供廠商做為未來量產之建議。
人才培育成果說明：
共 2 名碩士班學生參與此計畫，並已完成 1 人才培育
技術研發成果說明：
本計畫藉由 TracePro 光學分析軟體與 Moldex3D 模流分析軟體對本計畫案所設計之陣 列式二次光學元件進行光束角、發光效率、配光曲線與中心照度值等光學性質與射出成型 過程中各歷程的溫度分佈、各部分收縮與翹曲的模流分析，並開發出實驗用模具，如圖 1 所示。
藉由短射實驗來驗證模流分析軟體的可靠性以及觀察熔膠在模穴內的流動情形，表 1-1 所示為在製程參數上塑料溫度 240℃、模具溫度 95℃以射出速度 80 mm/s，模擬分析與實 際射出的比較情形。
本計畫案亦藉由成形視窗(molding window)的觀念，判定可成形區域之範圍大小；若範 圍很小，代表成形不易，範圍越大則反之。為了解本研究射出成形實驗所需之參數設定，
將實驗中不變動之兩項重要參數進行成形視窗探討，待成形視窗繪出，取適當之條件定為 實驗固定參數。成形視窗實驗結果如圖 2 所示，於視窗中取適當之料管(barrel)溫度 240 ℃ 與射出速度 80 mm/s 為固定成形條件。
光學量測可分為兩個部分，Correlated Color Temperature(CCT)分別為 3000K 的暖色系 照明模組與 5000K 的冷色系照明燈具模組的量測，使用 12V 的電壓與 0.34A 的電流驅動待 測的照明模組。
經由配光曲線儀量測結果如圖 4 所示，暖色系與冷色系燈具模組光束角(Beam angle) 約為 32°與 30°，與設計目標值 30°極為相近具有相當的準確性，發光強度（Luminous intensity）
依序為 840 cd 與 980 cd，如圖 5 所示。
並將陣列式燈具模組放置於積分球進行量測，其中暖色系燈具模組的色溫為 3072°K，
冷色系燈具模組的色溫為 5038°K，演色指數（CRI）分別為 85Ra 與 66.5Ra。光通量分別 為 364 流明與 278 流明，發光效率分別為 68 lm/W 與 91 lm/W。
圖 1 實驗模具照片
20
Barrel temperature (℃)
230 240 250 260
80 60 40
220 100
120 140 160
Injection velocity (mm/s)
Short shot
Over the material limit Flash/Flow mark
210 270
Short shot
圖 2 陣列式光學元件之成形視窗
表 1-1 PMMA 短射結果與模流分析充填百分比結果比較 Actual short shots Screw
position(mm) Simulation results Filling Percentage(%)
11 30
14 55
17 75
20 90
23 100
圖 3 MR16 陣列式光學照明模組
(a) 暖色系燈具發光角度量測
(b) 冷色系燈具發光角度量測 圖 4 配光曲線儀量結果
(a) 暖色系燈具光強度分佈 (b) 冷色系燈具光強度分佈 圖 5 光強度分佈
Angle= 32Deg Height
1.0M
E Max.
900 Lx
Diameter
53cm
2.0M 225 Lx 106cm
3.0M 100 Lx 159cm
4.0M 56.3 Lx 212cm
5.0M 36 Lx 265cm
圖 6 暖色系燈具不同照射距離下之照度面積變化
Angle= 30Deg Height
1.0M
E Max.
1014 Lx
Diameter
56cm
2.0M 253.5 Lx 112cm
3.0M 112.6 Lx 168cm
4.0M 63.3 Lx 224cm
5.0M 40.5 Lx 280cm
圖 7 冷色系燈具不同照射距離下之照度面積變化
(a) 暖色系燈具光型分佈 (b) 冷色系燈具光型分佈 圖 8 接收面光型分佈結果
技術特點說明：
隨著 LED 照明需求日益增進，而使得在亮度、均勻度方面也日益增加，所以，在目前 LED 的要求方面也隨之改變，已從過往的一顆 LED chip 慢慢地轉變成為了由一顆 LED 到 九顆 LED chip 所構成之陣列式分佈型式，故在鏡片方面也漸漸的轉變由一曲面型式，轉變 成了由數個曲面所構成之陣列式 LED 光學元件，本計畫針對其二次光學元件分析，以光學 設計軟體 TrancePro 建立光學模型與模流分析，並進行射出模造成形與光學性質之驗證分 析。
可利用之產業及可開發之產品：
本 計 畫 案 所 開 發 之 陣 列 式 光 學 元 件 可 運 用 於 LED 照 明 相 關 產 業 ， 其 相 關 產 品 有 MR(Multifaceted reflector)與 BR (Bulb reflector)照明系統模組與居家照明模組。
推廣及運用的價值：如增加產值、增加附加價值或營利、增加投資/設廠、增 加就業人數………等。
1.該透鏡可用傳統射燈與軌道燈(ex: 服飾店,珠寶店) 2.預計初期可帶來台幣 3 百萬的營收
3.因公司只做行銷與設計,故無設廠問題 4.增加 2~3 個就業人數
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2012/04/12
國科會補助計畫
計畫名稱: 陣列式LED之光學元件設計分析與開發 計畫主持人: 陳炤彰
計畫編號: 99-2622-E-011-013-CC3 學門領域: 精密製造技術
無研發成果推廣資料
99 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：陳炤彰 計畫編號：99-2622-E-011-013-CC3 計畫名稱：陣列式 LED 之光學元件設計分析與開發
量化
成果項目 實際已達成
數（被接受 或已發表）
預期總達成 數(含實際已
達成數)
本計畫實 際貢獻百
分比
單位
備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...
等）
期刊論文 0 0 100%
研究報告/技術報告 1 1 100%
研討會論文 1 1 100%
篇
陳炤彰、李豐吉、
王 志 豪 、 詹 家 銘，’LED 二次光 學 元 件 射 出 成 形 之 實 驗 設 計 最 佳 化 與 光 學 特 性 探 討’，數位化模具 技術」論文發表研 討會暨論壇，2010 論文著作
專書 0 0 100%
申請中件數 0 1 100%
射 出 成 型 模 內 振 動 式 熱 壓 方 法 與 專利 裝置
已獲得件數 0 0 100%
件
件數 1 1 100% 件
技術移轉
權利金 80000 80000 100% 千元
碩士生 2 2 100%
博士生 0 0 100%
博士後研究員 0 0 100%
國內
參與計畫人力
（本國籍）
專任助理 0 0 100%
人次
期刊論文 0 0 100%
研究報告/技術報告 0 0 100%
國外 論文著作
研討會論文 1 1 100%
篇
C-C. A. Chen, C.H. Wang and C.M. Chan,’A Vibratile
Injection Compression Molding Process for Fabrication of Multi-Scale Optical
conference on advanced polymer processing, p.141-145, 2011.
專書 0 0 100% 章/本
申請中件數 0 0 100%
專利 已獲得件數 0 0 100% 件
件數 0 1 100% 件
技術移轉
權利金 0 0 100% 千元
碩士生 0 0 100%
博士生 0 0 100%
博士後研究員 0 0 100%
參與計畫人力
（外國籍）
專任助理 0 0 100%
人次
其他成果 (無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。)
協助洋鑫科技股份有限公司試量產模具設計和製作，並完成試量產實驗、模具 具技術轉移，協助合作廠商送樣及新產品開發流程
產業技術發展之具體效益事項含
1.該透鏡可用傳統射燈與軌道燈(ex: 服飾店,珠寶店) 2.預計初期可帶來台幣 3 百萬的營收
3.因公司只做行銷與設計,故無設廠問題 4.增加 2~3 個就業人數
成果項目 量化 名稱或內容性質簡述
測驗工具(含質性與量性) 0
課程/模組 0
電腦及網路系統或工具 0
教材 0
舉辦之活動/競賽 0
研討會/工作坊 0
電子報、網站 0
科 教 處 計 畫 加 填 項
目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0
本產學合作計畫研發成 果 及 績 效 達 成 情 形 自 評 表 成果項目 本產學合作計畫預估研究成果及績效指標
（作為本計畫後續管考之參據） 計畫達成情形
技術移轉 預計技轉授權 1 項 完成技轉授權 1 項
國內 預估 0 件 提出申請 0 件，獲得 0 件
專利
國外 預估 0 件 提出申請 0 件，獲得 0 件
博士 0人，畢業任職於業界0人 博士 0人，畢業任職於業界0人 碩士 2人，畢業任職於業界0人 碩士 2人，畢業任職於業界0人 人才培育
其他 0人，畢業任職於業界0人 其他 0人，畢業任職於業界0人
期刊論文 0 件 發表期刊論文 0 件
研討會論文 1 件 發表研討會論文 1 件
SCI論文 0 件 發表SCI論文 0 件
專書 0 件 完成專書 0 件
國內
技術報告 1 件 完成技術報告 1 件
期刊論文 0 件 發表期刊論文 0 件
學術論文 0 件 發表學術論文 0 件
研討會論文 1 件 發表研討會論文 1 件
SCI/SSCI論文 1 件 發表SCI/SSCI論文 0 件
專書 0 件 完成專書 0 件
論文著作
國外
技術報告 0 件 完成技術報告 0 件
其他協助產業發展
之具體績效 新公司或衍生公司 0 家 設立新公司或衍生公司(名稱)：
計畫產出成果簡 述：請以文字敘述 計畫非量化產出之 技術應用具體效 益。（限 600 字以
內）
協助洋鑫科技股份有限公司完成 LED Lens 試量產模具設計和製作，並完成試量產實 驗、模具具技術轉移，協助合作廠商送樣及新產品開發流程
