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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:周柏宇
研究生(外文):Po Yu Chou
論文名稱:LED為光源應用在透鏡式以及反射罩式無影手術燈之設計模擬與比較分析
論文名稱(外文):Design and Simulation of shadowless surgical lamp which use TIR Lens and reflection cover use of LED as light source
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:2012
畢業學年度:100
論文頁數:106
中文關鍵詞:手術燈
外文關鍵詞:surgical lamp
相關次數:
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本論文是利用FRED光學模擬軟體來探討分析以LED為光源用於TIR(Total Internal Reflection)透鏡式以及反射罩式手術燈具的光場、光強等光學特性,由於現今光學模擬軟體的準確度已經具有很大的可靠性,為了能有效的降低與減少產品研發時程與研發的誤差,光學模擬軟體的分析與模擬是必要且必須的,並且能有效的降低產品開發的成本。
在本論文中是利用高演色性冷白LED為光源去設計手術燈燈具,利用兩種不同型式的二次光學設計,TIR(Total Internal Reflection)透鏡式手術燈具與反射罩式手術燈具,提高光使用效率,達到規範內的最佳使用效果。在TIR透鏡式手術燈設計上可分為兩部分,第一部分是計算與設計出LED的TIR(Total Internal Reflection)透鏡以及反射罩式的單一模組;第二部分是運用FRED光學模擬軟體來排列,模組化設計整體模型,使其能達到13萬Lux以上的照度值、平均演色性90以上、色溫3000~5000K之間等IEC(International Electrotechnical Commission)醫療燈具之規範。在反射罩式手術燈設計上一樣分為兩部份,第一部份為計算出反射罩曲率設計出單一反射罩模組,第二部份運用FRED光學模擬軟體來排列,模組化設計整體模型,使其達到醫療燈具之規範。
This research is the use of FRED optical simulation software to explore and analysis to use of LED light source of the TIR (Total Internal Reflection) lens type and reflective cover type surgical lamps for light field and intensity and other optical properties, recently the accuracy of the optical simulation software has great reliability, in order to effectively reduce and reduce the product development process and design error, analysis and Simulation of optical simulation software is necessary, and can effectively reduce the cost of product development.
In this research is the use of high-CRI cool white LED light source to design surgical light lamps, use of two different types of secondary optics design, TIR (Total Internal Reflection) lens type and reflective cover type surgical lamps, improve the efficiency of light use, to achieve the best results within the specification. in the design can be divided into two parts, The first part is the calculation and design of LED TIR (Total Internal Reflection) lens type and reflective cover type a single module; The second part is the use of FRED optical simulation software to arrange, modular design of the overall model, make it can reach the illumination value of more than 130,000 Lux, and average CRI of more than 90, and between color temperature of 3000K ~ 5000K, and IEC (International Electrotechnical Commission) the norms of medicallam.
致 謝 IV
摘 要 V
ABSTRACT VI
目 錄 VII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究目的 2
1-3 論文架構 3
第二章 手術燈介紹 5
2-1 手術燈 5
2-2 光源 6
2-3 手術燈光學 7
2-3-1 手術燈光場分析(Light field) 7
2-3-2 無影度(Shadowless) 9
2-3-3 照傷深度(Obscure of cavity) 11
2-3-4 縱深分析(Depth of Illumination) 12
第三章 光學理論 13
3-1 幾何光學基本原理 13
3-1-1 光線與光波 13
3-1-2 幾何光學基本定律 14
3-1-3 光的直線傳播定律 14
3-1-4 光的獨立傳播定律 14
3-1-5 光的反射定律與折射定律 15
3-1-6 光的全反射 16
3-1-7 光的散射 17
3-2 輻射能量與光度量 18
3-2-1 黑體輻射 18
3-2-2 輻射度量 20
3-2-3 光度量 22
3-3 CIE 表色系統的應用 26
3-3-1 CIE 1931 26
3-3-2 光源演色性評價 29
3-3-3 演色性計算 29
第四章 TIR透鏡及反射罩的結構設計 33
4-1 FRED模擬軟體介紹 33
4-2 LED光源建立 35
4-3 TIR LENS 設計 42
4-4 反射罩的結構設計 48
第五章 LED手術燈模型設計 51
5-1 TIR透鏡式手術燈排列設計模擬分析 51
5-2 單葉模組九顆排列模擬 51
5-2-1 四葉模組排列模擬 53
5-3 反射罩式手術燈排列設計模擬分析 63
5-3-1 單葉模組四顆LED模擬 64
5-3-2 四葉模組排列模擬 66
第六章 TIR透鏡式手術燈單葉九顆樣機實作 79
6-1 TIR透鏡式手術燈單葉燈頭機構設計 79
6-2 單葉模組九顆實際製作 83
第七章 結論與未來展望 87
7-1 結論 87
7-2 未來展望 88


圖目錄

圖1-1 THE TRENDS OF LED TECHNOLOGY APPLICATION & INDUSTRY 2
圖1-2 LED近年照明的應用 2

圖2-1 手術燈的外觀示意圖 5
圖2-2 光場分析 8
圖2-3 單遮蔽物與雙遮蔽物 10
圖2-4 雙遮蔽物位置轉換 10
圖2-5 無影度與照傷管 11
圖2-6 縱深分析 12

圖3-1 電磁波頻譜與光波波長所對應顏色關係 13
圖3-2 反射定律與折射定律關係圖 16
圖3-3 全反射與一般折射示意圖 17
圖3-4 普朗克黑體輻射在不同溫度下能量密度對應波長關係 19
圖3-5 一般常見光源對應色溫 19
圖3-6 輻射量與光度量之定義 26
圖3-7 XYZ色度系統之配色函數 27
圖3-8 CIE 1931 色座標圖與各顏色對應 28

圖4-1 FRED光學模擬軟體 34
圖4-2 為暖白型4W LED之2D尺寸規格圖 35
圖4-3 為暖白型6W LED之2D尺寸規格圖 36
圖4-4 為暖白型LED 4W及6W之光譜 36
圖4-5 37
圖4-6 37
圖4-7 為4W以及6W之晶粒圖片 37
圖4-8 為光源檔引入FRED 38
圖4-9 CITIZEN 4W CL-L251-C4H1-C LED光源檔引入FRED模擬照度圖 39
圖4-10 CITIZEN 4W CL-L251-C4H1-C LED光源檔引入FRED模擬光場分佈圖 40
圖4-11 CITIZEN 6W CL-L251-C6H1-C LED光源檔引入FRED模擬照度圖 40
圖4-12 CITIZEN 6W CL-L251-C6H1-C LED光源檔引入FRED模擬光場分佈圖 40
圖4-13 將曲率匯入PROE畫出透鏡剖面圖 42
圖4-14 以PROE繪出之透鏡3D CAD圖 43
圖4-15 CITIZEN 4W LED為光源TIRLENS單一模組光線追跡圖 43
圖4-16 CITIZEN 4W LED為光源TIRLENS單一模組圖 44
圖4-17 CITIZEN 4W LED為光源TIRLENS光學模擬照度圖 44
圖4-18 CITIZEN 6W LED為光源TIRLENS單一模組光線追跡圖 44
圖4-19 CITIZEN 6W LED為光源TIRLENS單一模組圖 45
圖4-20 CITIZEN 6W LED為光源TIRLENS光學模擬照度圖 45
圖4-21 PROE中繪出單片球面曲線 48
圖4-22 使用PROE長出1MM薄球殼面 48
圖4-23 繪出雙片縱向模組 49
圖4-24 繪出反射罩式手術燈單葉模組 49

圖5-1 單葉模組九顆排列模擬 52
圖5-2 單葉九顆模組照度模擬圖 52
圖5-3 單葉九顆模組色彩模擬圖 53
圖5-4 單葉模組九顆排列模擬 53
圖5-5 單葉模組光強度分佈圖 54
圖5-6 單葉模組XY方向光強度分佈圖 54
圖5-7 TIR手術燈單擋板光學系統示意圖 55
圖5-8 單擋板下光強度分佈圖 55
圖5-9 單擋板下XY方向光強度分佈圖 55
圖5-10 TIR手術燈單擋板加照傷管光學系統示意圖 56
圖5-11 單擋板加照傷管下光強度分佈圖 56
圖5-12 單擋板加照傷管下XY方向光強度分佈圖 56
圖5-13 雙擋板0度光學系統示意圖 57
圖5-14 雙擋板0度下光強度分佈圖 57
圖5-15 雙擋板0度下XY方向光強度分佈圖 57
圖5-16 雙擋板90度下光強度分佈圖 58
圖5-17 雙擋板90度下XY方向光強度分佈圖 58
圖5-18 雙擋板+45度下光強度分佈圖 59
圖5-19 雙擋板+45度下XY方向光強度分佈圖 59
圖5-20 雙擋板-45度下光強度分佈圖 60
圖5-21 雙擋板-45度下XY方向光強度分佈圖 60
圖5-22 照傷管下光強度分佈圖 61
圖5-23 照傷管加雙擋板0度下光強度分佈圖 61
圖5-24 照傷管加雙擋板0度下XY方向光強度分佈圖 61
圖5-25 照傷管加雙擋板90度下光強度分佈圖 62
圖5-26 照傷管加雙擋板+45度下光強度分佈圖 62
圖5-27 照傷管加雙擋板-45度下光強度分佈圖 62
圖5-28 反射罩單葉4顆LED模組 64
圖5-29 反射罩單葉4顆4W LED模組 64
圖5-30 光線數分析 65
圖5-31 反射罩單葉4顆6W LED模組 65
圖5-32 光線數分析 65
圖5-33 四葉模組排列模擬 66
圖5-34 四葉模組光強度分佈圖 67
圖5-35 單葉模組XY方向光強度分佈圖 67
圖5-36 單擋板下光強度分佈圖 68
圖5-37 單擋板下XY方向光強度分佈圖 68
圖5-38 單擋板加照傷管下光強度分佈圖 69
圖5-39 單擋板加照傷管下XY方向光強度分佈圖 69
圖5-40 雙擋板0度下光強度分佈圖 70
圖5-41 雙擋板0度下XY方向光強度分佈圖 70
圖5-42 雙擋板90度下光強度分佈圖 71
圖5-43 雙擋板90度下XY方向光強度分佈圖 71
圖5-44 雙擋板+45度下光強度分佈圖 72
圖5-45 雙擋板+45度下XY方向光強度分佈圖 72
圖5-46 雙擋板-45度下光強度分佈圖 73
圖5-47 照傷管加雙擋板-45度雙擋板-45度下XY方向光強度分佈圖 73
圖5-48 照傷管加雙擋板0度下光強度分佈圖 74
圖5-49 照傷管加雙擋板0度下XY方向光強度分佈圖 74
圖5-50 照傷管加雙擋板90度下光強度分佈圖 75
圖5-51 照傷管加雙擋板90度下XY方向光強度分佈圖 75
圖5-52 照傷管加雙擋板+45度下光強度分佈圖 76
圖5-53 照傷管加雙擋板+45度下XY方向光強度分佈圖 76
圖5-54 照傷管加雙擋板-45度下光強度分佈圖 77
圖5-55 照傷管加雙擋板-45度下XY方向光強度分佈圖 77

圖6-1 下蓋組件設計 79
圖6-2 上蓋組件的設計 80
圖6-3 燈頭單一模組設計 80
圖6-4 鈑件組的設計 81
圖6-5 82
圖6-6 82
圖6-7 完整的單葉九顆設計 83
圖6-8 ETC量測結果 83
圖6-9 積分球 84
圖6-10 配光曲線儀 84


表目錄

表2-1 LED相對於鹵素燈的優劣勢 6

表3-1 輻射度學物理量定義及單位 21
表3-2 光度學定義及單位 25

表4-1 4W LED為光源D10與D50關係 47
表4-2 6W LED為光源D10與D50關係 47
表4-3 6W LED為光源D10與D50關係 50
表4-4 4W LED為光源D10與D50關係 50

表5-1 TIR透鏡式手術燈無影度數據表 63
表5-2 反射罩式手術燈無影度數據表 78

表6-1 積分球與配光曲線儀量測項目 85
表6-2 單葉樣機積分球量測結果 86
表6-3 單葉樣機配光曲線儀量測結果 86
〔1〕 http://www.iali.com.tw/publications/applications/PRELUDE.htm
〔2〕 http://www.pida.org.tw/
〔3〕 翁健洋,〈可調色彩LED之手術燈具模擬與設計〉,長庚大學光電研究所,碩士論文,民國98年
〔4〕 照明學會,李農譯,楊燕譯,《照明手冊》,第二版,全華科技圖書股份有限公司,民國九十五年十月。
〔5〕 林竹軒,〈RGB白光LED照明的優勢與展望(上)〉,《工業材料雜誌》,250期,頁191~194,民國九十六年十月。
〔6〕 鄧文傑,〈手術燈反射鏡及反射錐之設計與分析〉,國立臺灣科技大學,碩士論文,民國95年。
〔7〕 葉玉堂、饒建珍、肖峻著,《幾何光學》,五南出版社,民國九十七年。
〔8〕 陳鴻興、陳詩涵著,《色彩工程學:理論與應用》,全華圖書出版,民國97年10月。
〔9〕 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%9B%BB%E7%A3%81%E6%B3%A2
〔10〕 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%99%AE%E6%9C%97%E5%85%8B%E9%BB%91%E4%BD%93%E8%BE%90%E5%B0%84%E5%AE%9A%E5%BE%8B
〔11〕 FRED Help Manual
〔12〕 黃忠偉,陳怡永,楊才賢,林宗彥,《光學設計達人必修的九堂課》,五南圖書出版股份有限公司,民國九十七年七月。
〔13〕 http:// www.csbright.com.tw
〔14〕 http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page
〔15〕 材料世界網編輯室,〈白光LED照明技術發展(上)〉,《材料最前線》,民國九十八年六月。
〔16〕 材料世界網編輯室,〈高功率白光LED的最新發展動向〉,《材料最前線》,民國九十六年十一月。
〔17〕 Eugene Hecht, OPTICS, Fourth edition, Addison Wesley, 2002.
〔18〕 蘇志賢,〈手術燈反射鏡面之最佳設計〉,國立臺灣科技大學,碩士論文,民國92年。
〔19〕 http://www.led-professional.com/content/view/1364/56/
〔20〕 http://www.nbic.org.tw/dbpdf/class/20050614.pdf
〔21〕 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90年。
〔22〕 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93年。
〔23〕 http://www.fresneltech.com/pdf/FresnelLenses.pdf
〔24〕 翁健洋,〈可調色彩LED之手術燈具模擬與設計〉,長庚大學,碩士論文,民國98年。
〔25〕 Rob Hubbard著,《ASAPTM Primer 入門指南》,林世穆譯,Breault Research Organization, Inc.,民國九十一年。
〔26〕 翁健庭,〈白光LED於直下式背光模組之設計與模擬分析〉,長庚大學,碩士論文,民國97年。
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