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研究生: 歐子倫
OU, TZU-LUN
論文名稱: 考慮製造公差之手術燈設計
Surgical lamp design considering the manufacturing tolerance
指導教授: 蕭德瑛
SHAW, DEIN
口試委員: 宋震國
SUNG, CHENG-KUO
林士傑
LIN, SHIH-CHIEH
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2019
畢業學年度: 107
語文別: 中文
論文頁數: 86
中文關鍵詞: 手術燈球透鏡製造公差尺寸較小優化製造公差
外文關鍵詞: Surgical light, ball lens, manufacturing tolerance, smaller, influence of manufacturing tolerances
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  • 本研究的研究目標為進行手術燈設計時考慮LED 手術燈製造公
    差對於光學表現之影響。手術燈乃醫療上極為重要之照明器材,目前
    手術燈以LED 為光源為主流產品,其主要原理為將LED 光源透過透
    鏡與反射杯將光線照射至指定位置。目前市售手術燈極為笨重,因此
    開發輕型手術燈無論在成本與設計上皆較市售手術燈更有優勢,但也
    意味著整體尺寸要小,所以製造公差顯得極為重要。本研究首先利用
    TracePro 光學模擬軟體來模擬具有球型透鏡反射杯的輕型手術燈設
    計之光照度,其後分析球透鏡加工誤差對光照度的影響,並利用實驗
    驗證反射杯以一般精度加工與精密加工對於LED 手術燈照度之影響,
    從而找出製造公差對於光學表現之影響。最後,將對反射杯模型與特
    徵結構進行重新設計,並設計手術燈之機構及光源排列,優化製造公
    差的影響,並符合手術燈規範IEC60601-2-41 的基本要求。


    The main purpose of this study is to consider the manufacturing
    tolerance effect on the surgical light design. Surgical light is one of
    important lighting equipment of medical devices. The main principle of
    surgical light is the LED light source through lens and reflector cup to
    restrain the light to a specified location. The surgical lights available in the
    current market are extremely bulky. Therefore, developing lightweight
    surgical lamp has the advantage of the low cost and the lightweight, which
    is drastically, exceeded the traditional surgical lamp. Hence, all the
    structures of the lightweight surgical lamp must be smaller than that of the
    traditional lamp; the optical device is always sensitive to the accuracy of
    the optical component. Therefore, to understand manufacturing tolerance
    effect on the lighting becomes an extremely important.
    In this study, TracePro, an optical simulation software, is employed to
    simulate the illumination of lightweight surgical lamps which used the
    spherical lens as the lens to deflect the light from LED. Next, analyze the
    influence processing error of spherical lens on the lighting, and the
    experiment to verify the difference between traditional processing and
    precision processing of reflective cups on the illumination was developed.
    Thereby, hope this study can find out the effect of manufacturing tolerances
    on the optical performance.
    Finally, the reflector cup model and feature structure to achieve the
    best results are developed, which reduces the possibility of manufacturing
    tolerance effects. At the mean time, design the mechanism of the surgical
    lamp and arrangement of the light source to minimize the influence of
    manufacturing tolerances, was comply with IEC 60601-2-41.

    摘 要 I Abstract II 誌謝 III 目 錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 X 第一章 序論 1 1.1前言 1 1.2文獻回顧 4 1.3研究動機 8 1.4研究方法 9 第二章 光學原理與介紹 11 2.1手術燈規範IEC 60601-2-441 11 2.2光學原理 15 2.2.1光的傳播 15 2.2.2 折射與反射定律 16 2.2.3 色散像差 17 2.2.4 輻射度學與光度學之比較 19 2.3光學模擬方法 20 2.3.1 TracePro光學軟體介紹 [10] 20 2.3.2 TracePro模擬流程 21 第三章 加工精度對手術燈之影響 25 3.1 光源檔之建立 25 3.1.1 光源之選用 25 3.1.2 LED光源建立 27 3.1.3 TracePro 參數設定 29 3.2 LED反射杯實驗驗證 30 3.2.1 單顆LED反射杯模擬 [7] 30 3.3.2 加工誤差量測實驗 32 3.3.3 LED反射杯實驗誤差分析 35 3.3 加工精度對光源設計影響之模擬 37 3.3.1 球透鏡與LED燈源之距離 37 3.3.2 真圓度對光源強度影響 41 第四章 手術燈之照明優化設計 43 4.1 具反射杯單顆LED光學模組設計概念 43 4.1.1 反射杯幾何參數設定 43 4.1.2 具反射杯單顆LED光學模組模擬結果 45 4.1.3 雜散光對手術燈光形影響 46 4.1.4 具反射杯單顆LED光學模組實驗結果 48 4.2 不具反射杯單顆LED光學模組設計概念 49 4.2.1 不具反射杯單顆LED光學模組模擬結果 50 4.2.2 不具反射杯單顆LED光學模組實驗結果 53 4.3 手術燈機構設計 54 4.4手術燈配光模擬結果 56 4.4.1手術燈模擬方法 56 4.4.2 含機構手術燈模擬結果 57 4.4.3 手術燈規範模擬 59 4.5 單排LED光學模組模擬與實驗 62 4.5.1 單排LED光學模組模擬結果 62 4.5.2 單排LED光學模組實驗結果 64 第五章 手術燈量測實驗 66 5.1 實驗目的 66 5.2 手術燈設計與製造 66 5.2.1市購件 66 5.2.2自製件 69 5.3實驗方法 71 5.3.1手術燈機構組裝 71 5.3.2量測儀器介紹 73 5.4 實驗結果 73 5.4.1手術燈照度及光型實驗 74 5.4.2 手術燈規範量測實驗 75 第六章 結論 77 6.1 結論 77 6.2未來展望與建議 83 參考文獻 85

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