接觸式膠囊內視鏡之照明系統設計

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馮漢民(Han-Min Feng) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

接觸式膠囊內視鏡之照明系統設計
(Design of illumination system in contact capsule endoscope)

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摘要(中)

本文主要於研究接觸式膠囊內視鏡照明系統之相關問題，由於LED的發光強度隨角度之變化而有所不同，亦有其相對應之配光曲線；因此其投光之情形未必能均勻地分布在接觸式膠囊內視鏡周圍之目標物面，而此會造成物面上呈現過暗或過亮之問題。不論光源是以直接性或間接性之方式，經由錐狀鏡而反射至影像感測元件，皆會造成過曝之光亮點，而降低整體之影像品質。
　　針對此問題，在此利用光機模擬軟體ASAP來優化此照明系統；對於接觸式膠囊內視鏡之照明系統進行設計、模擬與分析；從原始的膠囊模型，逐步設計出增減LED之個數、LED不同之排列位置、LED不同之擺放角度與幾何形狀，或是調整錐狀鏡與LED之相對距離等之因素，以消除不必要之雜散光而使系統整體之照明均勻度提升，經由一組接觸式膠囊內視鏡之照明系統最佳化設計，能提升整體照明系統之效能。於本研究中，接觸式膠囊內視鏡之照明系統的最佳化設計，由原始之照明均勻度0.128提升至0.603，大幅地增進了接觸式膠囊內視鏡之成像品質。
　　未來，若接觸式膠囊內視鏡可為產業界作進一步地探究應用，或是將接觸式膠囊內視鏡系統應用於新穎的醫學檢測技術之中，接觸式膠囊內視鏡之光學設計必定為系統最重要之關鍵技術；若再配合最佳化設計，方可增進接觸式膠囊內視鏡之核心價值。

摘要(英)

This　paper　is　researching　about　the　illumination　system　in　contact capsule　endoscope　(CCE).　　It　is　difficult　to　obtain　the　uniform　illumination　on　the　observed　object　because　the　light　intensity　of　LED　will　be　changed　along　with　its　angular　displacement　and　same　as　luminous　intensity　distribution　curve.　　As　the　location　of　light　source　(i.e.,　LED)　is　approaching　imaging　lenses　which　light　source　incidents　into　the　cone　mirror　and　then　the　reflected　light　will　be　reflected　through　the　lenses　to　enter　CMOS　sensor　directly.　　On　the　other,　the　strong　reflection　rays　from　the　transparent　view　window　(TVW)　will　incident　into　the　cone　mirror　and　then　the　reflected　light　will　be　reflected　by　cone　mirror　indirectly　and　through　the　lenses　to　enter　CMOS　sensor.
　　The　result　of　above　reasons　is　bound　to　make　over-blooming　on　the　image　plane.　　These　over-blooming　will　cause　image　to　bring　up　non-uniform,　decreasing　image　quality.　Regarding　for　this　problem,　I　use　the　optical　design　software　which　is　Advanced　Systems　Analysis　Program　(ASAP)　to　build　a　photometric　model　for　the　optimal　design　of　LED　illumination　system　in　CCE.　　According　to　original　model　of　CCE,　　I　set　the　several　key　parameters　that　are　LED　quantities,　location　of　LED,　geometric　shape　of　LED,　tilt　angle　of　surface　of　LED,　distance　between　LED　and　cone　mirror　etc.　　That　is　why　to　decrease　the　stray　light　and　increase　the　whole　illumination　uniformity　of　CCE.　　It　is　major　goal　to　raise　the　efficiency　of　CCE　system　in　this　paper;　hereby　I　design　the　best　case　in　illumination　system　of　CCE　to　get　it.
　　The　optimal　case　is　designed　by　the　axial　displacement　of　PCB,　radial　displacement　of　LED,　tilt　angle　of　surface　of　LED,　divergence　angle　of　LED,　rotation　angle　of　LED　etc.　　It　can　improve　illumination　system　and　advance　the　image　quality.　　It　can　also　help　doctor　to　make　a　diagnosis　and　treatment　by　vivo　picture　more　correct.　　In　this　paper,　the　optimal　design　of　illumination　uniformity　in　the　CCE　is　form　origin　0.128　up　to　optimum　0.603　and　it　would　advance　the　image　quality　of　CCE　greatly.　　Finally,　I　expect　this　latest　design　of　the　luminous　system　with　very　high　practicability　for　examinations,　diagnosis　or　therapies　in　medical　science.
　　In　the　future,　if　the　optimal　design　of　CCE　will　be　further　using　in　industrial　field　or　in　novel　medical　detection　technology　at　the　same　time　optical　design　of　CCE　will　greatly　increase　its　core　value.

關鍵字(中)

★ 照明系統
★ 錐狀鏡
★ 膠囊內視鏡

關鍵字(英)

★ illumination system
★ cone mirror
★ capsule endoscope

論文目次

中文摘要　…………………………………………………………………………………　i
英文摘要　…………………………………………………………………………………　ii
誌謝　………………………………………………………………………………………　iii
目錄　………………………………………………………………………………………　iv
圖索引　……………………………………………………………………………………　vi
表索引　……………………………………………………………………………………　x
第一章　緒論　………………………………………………………………………………　1
1-1　研究背景　…………………………………………………………………………　1
1-2　膠囊內視鏡之簡介　………………………………………………………………　2
1-3　接觸式膠囊內視鏡之簡介　………………………………………………………　11
　　1-3-1　接觸式膠囊內視鏡之設計與結構　…………………………………………　11
　　1-3-2　接觸式膠囊內視鏡與傳統式膠囊內視鏡之差異分析　……………………　13
1-4　研究目的　…………………………………………………………………………　15
1-5　論文架構　…………………………………………………………………………　17
第二章　基礎照明理論　…………………………………………………………………　19
2-1　近軸光學之成像原理　……………………………………………………………　19
　　2-1-1　近軸光學追跡　………………………………………………………………　20
　　2-1-2　折射球面之光線追跡　………………………………………………………　20
　　2-1-3　厚透鏡之光線追跡　…………………………………………………………　21
2-2　輻射度學與光度學　………………………………………………………………　25
　　2-2-1　輻射計量之定義　……………………………………………………………　26
　　2-2-2　輻射計量之探討　……………………………………………………………　28
　　2-2-3　光譜之光視效率　……………………………………………………………　33
　　2-2-4　輻射計量與光度計量之對應關係　…………………………………………　35
2-3　接觸式膠囊內視鏡之照明系統的雜散光論述　…………………………………　37
2-4　接觸式膠囊內視鏡之照明均勻度　………………………………………………　39
2-5　系統光源之場論　…………………………………………………………………　42
第三章　接觸式膠囊內視鏡之照明系統設計　…………………………………………　45
3-1　照明系統優化設計之環境介紹與目的　…………………………………………　45
3-2　照明系統之原型建構與驗證　……………………………………………………　47
　　3-2-1　建立膠囊之原始模型　………………………………………………………　47
　　3-2-2　模擬膠囊之原型照明　………………………………………………………　53
　　3-2-3　驗證膠囊之原始模型　………………………………………………………　58
第四章　接觸式膠囊內視鏡之照明系統量測實驗　……………………………………　60
4-1　國際照明委員會(CIE)之LED量測標準　…………………………………………　60
4-2　照明系統實驗裝置　………………………………………………………………　61
　　4-2-1　LED配光曲線之量測實驗裝置　……………………………………………　61
　　4-2-2　LED量測實驗裝置種類　……………………………………………………　64
4-3　系統光源之光強度分布量測　……………………………………………………　67
　　4-3-1　LED配光曲線之量測實驗　…………………………………………………　67
　　4-3-2照明系統光源之量測實驗　…………………………………………………　71
4-4　實驗量測與模擬數據之分析　……………………………………………………　74
第五章　改善照明系統中的雜散光之最佳化設計　……………………………………　76
5-1　改善直接性雜散光之目的　………………………………………………………　76
5-2　改善直接性雜散光之設計參數　…………………………………………………　76
　　5-2-1　PCB軸向位移之設計　………………………………………………………　76
　　5-2-2　LED徑向位移之設計　………………………………………………………　78
　　5-2-3　LED出光面角度之設計　……………………………………………………　80
　　5-2-4　LED徑向角度之設計　………………………………………………………　82
5-3　改善直接性雜散光設計之結果分析與改進　……………………………………　84
5-4　改善間接性雜散光之目的　………………………………………………………　92
5-5　改善間接性雜散光之設計　………………………………………………………　92
　　5-5-1　初始設計條件　………………………………………………………………　92
　　5-5-2　照明系統之優化設計　………………………………………………………　98
5-6　改善間接性雜散光設計之結果分析與改進　……………………………………　111
第六章　結論與未來展望　………………………………………………………………　116
6-1　結論　………………………………………………………………………………　116
6-2　未來展望　…………………………………………………………………………　119
參考文獻　………………………………………………………………………………　122
Publications　………………………………………………………………………………　127

參考文獻

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ii.　TC　2-46　CIE/ISO　Standards　on　LED　Measurements.　To　prepare　a　CIE/ISO　Standard　on　the　measurement　of　LED　intensity　measurements　based　on　CIE　Publication　No.　127.　Chair:　John　Scarangello　(USA).
iii.　TC 2-50　Measurement　of　the　Optical　Properties　of　LED　Clusters　and　Arrays.　To　produce　a　technical　report　for　measurement　of　the　optical　properties　of　visible　LED　clusters　and　arrays,　to　derive　optical　quantities　for　large　area　arrays　and　give　recommendations　for　measurement　methods　and　conditions.　Chair:　Georg　Sauter　(Germany).
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http://www.techexpo.com/WWW/opto-knowledge/hyperspectrum/hypersp4

指導教授

歐陽盟(Mang　Ou-Yang)

審核日期

2009-7-17

推文