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研究生:王士榮
研究生(外文):Shih Jung Wang
論文名稱:以LED為光源之手術燈設計與分析
論文名稱(外文):Design and Analysis of Surgical Operating with LED
指導教授:張宗文張宗文引用關係
指導教授(外文):T. W. Chang
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:光電工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
論文頁數:62
中文關鍵詞:LED手術燈FRED光學軟體LED照明系統
外文關鍵詞:LED surgical operatingFREDLED lighting system
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本研究主旨在以LED為光源設計一型新型手術燈,利用光學模擬軟體FRED建立手術燈模型與照度分析。
LED是屬於冷光源,照明時沒有鹵素燈泡的紅外光熱源,用於手術燈照明上,可降低醫生手術開刀時的煩悶、體力消耗,提高手術中的注意力,並減少對病患傷口的影響。
新型LED手術燈相較於傳統手術燈-單一鹵素燈泡與單一反射罩,結構上有相當大的不同,共使用144顆LED光源與144個反射罩,以拋物面設計反射罩。基於模擬的便利性,使用二分之一片結構模擬全片手術燈結構。著重於如何擺放對準點間距、將光場投射至均均。
模擬成果在 30cm x 30cm 標準工作平面上可達到照度15萬Lux,ANSI 13均勻度可達87.5%,混光模擬基本均勻,並可達各項手術燈無影度標準。
The research is about using LED to be the source of surgical operating. Using optical software FRED to design surgical operating structure and analysis.
LED is the cold source, compare to halogens lamp, there are no infrared rays and high heat. Using LED to be surgical lighting in the hospital, it can reduce spirit consumption of the doctor when surgical operation and the influence of patient’s wound.
There are very differences in the new and traditional surgical operating (single halogens lamp and single reflector). The New type surgical operating using 144 LED and 144 reflector. For the convenience, using one of second structure to simulate entire structure. The key points are how to place target points and how to lighting can be uniform.
The simulation result can reach 150,000 Lux on the standard 30cm x 30cm working plane, ANSI 13 Uniformity is 87.5%, mixed color simulation is uniform on basic, and satisfy the surgical operating standard.
目 錄

指導教授推薦書
口試委員會審定書
授權書 iii
誌謝 iv
中文摘要 v
英文摘要 vi
目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 4
1.3 研究方法 5
1.4 本文架構 5
第二章 光學原理 6
2.1 幾何光學定律 6
2.2 光度學 7
2.3 手術燈光學 9
2.4 黑體輻射與色溫 13
2.5 演色性 15
第三章 LED手術燈之模型設計 17
3.1 設計目標與流程 17
3.2 照度計算 18
3.3 LED光源建立 19
3.4 手術燈之模型建立 20
3.4.1 單一反射罩模型 20
3.4.2 四個反射罩一組模型 20
3.4.3 手術燈二分之一片模型與全片模型 22
3.5 對準區域配置 22
3.5.1 四種光源對準方式 22
3.5.2 實際對準點位置 24
3.5.3 改良對準點位置 24
3.6 均勻度分析 25
第四章 模擬與分析 27
4.1 單一反射罩模型 27
4.2 四個反射罩一組模型 28
4.3 預測四種光源對準方式無影度 29
4.4 對準點設計與分析 30
4.4.1 針對第(3)種對準方式 30
4.4.2 針對第(2)種對準方式 34
4.5 改良對準點設計與分析 39
4.6 量測各項手術燈標準與照度計算 41
4.7 聚焦至18cm x 18cm光場範圍 43
第五章 結論與討論 45
5.1 模擬成果 45
5.2 討論 45
5.3 未來研究建議 46
參考文獻 48


圖目錄

圖(1-1) 傳統單一燈源手術燈 1
圖(1-2) TRUMPF LED手術燈 2
圖(1-3) Brandon小型LED手術燈 2
圖(1-4) 以LED為光源之手術燈 3
圖(1-5) 以LED為光源之牙科手術燈 3
圖(2-1) 光的反射與折射 7
圖(2-2) 單遮蔽物與雙遮蔽物位置 10
圖(2-3) 雙遮蔽物之不同位置 10
圖(2-4) 無影度包含照傷深度 11
圖(2-5) 照傷深度規格管 12
圖(2-6) 緃深量測 13
圖(2-7) 黑體輻射與色溫軌跡 14
圖(3-1) LED尺寸規格 19
圖(3-2) LED模擬光源圖 19
圖(3-3) 單一反射罩模型與光源位置圖 20
圖(3-4) 四個反射罩一組模型 21
圖(3-5) 四個反射罩對準中心軸 21
圖(3-6) 四個反射罩光源晶粒之配置 21
圖(3-7) 手術燈二分之一片模型 22
圖(3-8) 手術燈全片模型 22
圖(3-9) 手術燈四分之一模型光源配置編號 23
圖(3-10) 四種光源對準方式 23
圖(3-11) 實際對準點位置 24
圖(3-12) 改良對準點位置 25
圖(3-13) ANSI 13量測點位置圖 26
圖(4-1) 單一反射罩照度圖 27
圖(4-2) 單一反射罩混光圖 27
圖(4-3) 四個反射罩一組照度圖 28
圖(4-4) 四個反射罩一組混光圖 28
圖(4-5) 各對準點間距關係 29
圖(4-6) 照度圖 31
圖(4-7) 照度圖 31
圖(4-8) 照度圖 32
圖(4-9) 照度圖 32
圖(4-10) 照度圖 33
圖(4-11) 照度圖 33
圖(4-12) 二分之一對邊混光圖 34
圖(4-13) 二分之一對邊混光圖 34
圖(4-14) 照度圖 35
圖(4-15) 照度圖 35
圖(4-16) 照度圖 36
圖(4-17) 照度圖 36
圖(4-18) 照度圖 37
圖(4-19) 照度圖 37
圖(4-20) 照度圖 38
圖(4-21) 照度圖 38
圖(4-22) 二分之一對邊混光圖 39
圖(4-23) 二分之一對邊混光圖 39
圖(4-24) 照度圖 40
圖(4-25) 照度圖 40
圖(4-26) A組對邊混光圖 41
圖(4-27) B組對邊混光圖 41
圖(4-28) A組對邊ANSI 13 41
圖(4-29) B組對邊ANSI 13 41
圖(4-30) 緃深L1 =10cm照度圖 42
圖(4-31) 緃深L2 =10cm照度圖 43
圖(4-32) 照度圖 43
圖(4-33) A組對邊ANSI 13 44
圖(4-34) B組對邊ANSI 13 44


表目錄

表(2-1) 標準光源色溫和色度座標 15
表(2-2) 平均演色評價指數適用範圍 16
表(2-3) 主要光源平均演色評價數 16
表(4-1) 預測四種光源對準方式無影度 30
表(4-2) 量測無影度 42
〔1〕 http://www.mediland.com.tw,〈ML600-TC產品型錄〉,鼎眾股份有限公司。
〔2〕 http://www.trumpf.com,〈iLED-The new era of LED surgical lights〉,TRUMPF Medical Systems Ltd。
〔3〕 http://www.brandon-medical.co.uk,〈Astralite HD-LED-Minor Surgical Lamps〉,Brandon Medical Co Ltd。
〔4〕 工業技術研究院,〈工業技術與資訊〉,民國97年7月。
〔5〕 鄧文傑,〈手術燈反射鏡及反射錐之設計與開發〉,國立台灣科技大學,碩士論文,民國94年。
〔6〕 蘇志賢,〈手術燈反射鏡面之最佳設計〉,國立台灣科技大學,碩士論文,民國92年。
〔7〕 江政南,〈利用遺傳演算法設計手術燈反射曲面〉,國立清華大學,碩士論文,民國92年。
〔8〕 劉曜旗,〈光纖冷光手術燈之評估及其反光罩設計〉,國立台灣科技大學,碩士論文,民國90年。
〔9〕 黃紹宗,〈手術燈反射鏡曲面之設計與照度分析〉,國立清華大學,碩士論文,民國89年。
〔10〕 李曉彤、岑兆豐,〈幾何光學‧像差‧光學設計〉,浙江大學出版社,2007年。
〔11〕 郁道銀,談恒英,〈工程光學〉,機械工業出版社,2006年。
〔12〕 International Electrotechnical Commission,〈Medical electrical equipment – Part 2-41: Particular requirements for the safety of surgical luminaires and luminaires for diagnosis〉,《INTERNATIONAL STANDARD IEC-60601-2-41》,2000年。
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〔14〕 吳佩禎,〈LED光源應用於直下式背光模組之設計與研究〉,國立清華大學,碩士論文,民國96年。
〔15〕 http://www.chinaelectric.com.tw/word.htm,〈光源知識介紹〉,中國電器股份有限公司。
〔16〕 林正淳,〈光學機構設計〉,林正淳出版,民國97年。
〔17〕 拓墣產業研究所,〈LED技術與應用發展日趨多元化〉,《TRI產業專題報告-136》,拓墣產業研究所,民國98年2月。
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