慢跑記錄，2019年仲夏

2019年夏天 跑步所見的天空

提起慢跑，說來慚愧，自去年合歡山馬拉松(連結)結束後，我好像就淪入不跑步一族，過了六、七個月懶懶散散的生活，與慢跑的距離，漸行漸遠。

起初，理所當然覺得這是大型活動的後遺症，而不以為意，再加上今年上半年外務多，爬山、步道旅行、就醫頻繁，還得常去女兒班上擔任些雜工，一個接著一個的藉口，打亂了好不容易建立的跑步習慣，甚至有整個月份沒慢跑的情形。

沿路所見

當然，自己內心也明白，前面所說的多半是藉口，追根究柢應是這三、四年下來，全馬已經參加四次，對大型活動以經沒有新鮮感，另外則是平日練跑的區域都已跑到爛熟，好奇心也降低，對慢跑的興趣，從起初的滿滿熱情降至低潮期。這就好像男女交往，初期時好奇心與曖昧會驅使人戮力以赴，時間一久喪失好奇就懶散無力，愛理不理。尤其我本就是以休閒為主的大叔，並沒有非跑不可的壓力，頹廢其實也是可以理解的。

民宅一景

不過，經過六、七個月的停滯期，現在的我還是會有想跑步的心情，不為健身，更不為參加活動，就是隱約感覺繼續跑下去是件美好的事情。只是暫停了這麼久，該如何回復呢？經過幾個星期摸索，覺得既然是低潮期，就應該改變過往心態，做些新鮮事，讓身心重新啟動，才能找回熱情，逐漸拾回跑步的樂趣。下面是最近嘗試的項目。

柏油路面上標誌

一、呼朋引伴一起跑

以前跑步都是獨自跑，最近則是熱衷於呼朋引伴一起跑。我們幾位公司同事，傍晚時分，或是繞著科學園區邊緣，或是以寶山水庫吊橋為標的。一路上聊聊工作八卦或是生活瑣事，時間很快就過去，就算是爬坡也變的沒那麼痛苦(笑)。尤其人多的好處是不怕路邊突然衝出作勢要咬人的狗，這對荒山野嶺間路跑特別有用處。

我要集滿所有愛跑步的同事

二、擴大練跑區域

以往，我的慢跑區域都侷限在公司周遭五公里可來回區域(全程十公里)，時間久了，幾條主要路線和支線都熟悉到像自家後院，這種一成不變的路線的確會抹殺人的熱情，更何況是慢跑這種刻板乏味的活動呢？

最近不再以公司為出發點，而是先騎著機車到四、五公里外地方開始跑，探索未知的小路(也就是說未知的狗吠)，體現不同的地形地景與鄉村風貌。其間時常有機會從這些陌生"外地"回望我已熟悉地區，這個過程，就好像拼圖般，逐步擴大已知區域，繪製出專屬我個人特有的寶山鄉美景。(寶山篇連結)

隨拍

三、報名新鮮活動

最後一項就是藉由參加活動，增加練習的次數。依個人經驗，只要報了名，就會不由自主多多練習。但馬拉松活動這麼多，該如何挑選適合自己的活動呢？希望是能滿足見聞為主。口袋名單中，離島為首選，馬祖更是優先。想像著在國之北疆，號稱窮山惡水之地，跑著年度僅開放一次的南北坑道以及被人吐草的瘋狂上下坡，不免就興奮起來。

馬祖馬拉松(連結)最讓人稱道(詬病)的就是無止境的丘陵賽道，坡陡到想直接滾下去，而且跑兩圈心裡內心戲很多。仔細看每一單圈大致爬升五百五十公尺，合計一千一百公尺。

馬祖馬拉松高度圖

雖然沒有合歡山馬拉松高，但上上下下的路段反而最是折磨人。單圈就有12個大的轉折(40 50 40 20 40 40 20 20 100 50 40 20)，其中一個轉折高度還跳升100公尺，應該是會跑到想死的路線。

還好公司附近寶山鄉什麼不多，最多就是滿滿滿的丘陵，最近常跑的公司到水庫經過雙吊橋，來回距離約十一公里，爬升高度二百五十公尺，轉折次數五次(30 100 30 40 20)，跑個四次也就是馬祖馬拉松規格。

路邊盆栽隨拍

而我也在這訓練過程中，逐漸拾回熟悉的腳步聲和呼吸聲，感覺著施於腳上的壓力，慢慢凸上高坡，然後用滿溢的成就感，回報自己。SUMMER(連結)

鄉下跑步最怕就是狗群

筆記：LED (Light Emitting Diode) 發光二極體

LED是將電子(具備負電性質)多的N（－：negative）型半導體與電洞（具備正電性質)多的P（＋： positive）型半導體為之接合的元件。加入順向電壓於此半導體後，電子與電洞將移動、於接合部再結合，此一再結合能量變成光並放出。相較於先將電能轉換成熱能、之後再轉換為光能的傳統光源，由於是直接將電能轉換成光能，可不浪費電能、更有效率地獲取光源。連結。發光二極體是利用二極體內，電子與電洞結合過程中能量轉換產生光的輸出。

物理原理連結

特性上，與雷射二極體比較，LED光功率小，發散角也大。 冷性發光不產生熱無需溫控 、工作壽命長 、反應速度很快、體積小、適合量產，具高可靠度、價格便宜。

LED光色是指其光的顏色，6500K左右的正白光與3000K左右的黃光。LED照度的單位是Lux，也就是實際上在某特定位置的亮度。照度的測量是以照度計來量測的，基本上離光源越遠，照度值就越小。

LED流明值代表的是「光通量」。也就是在積分球中所有光通量的數量。但是流明值不一定等於實際使用上的亮度，因為光學的設計和光的指向性都對實際照度有所影響。

有的業者為了節省晶粒的成本，會以加大電流的方式驅動LED，來提高LED的耗電量並提高亮度。但是這樣的光效是不好的，平均每瓦的流明值會下降，同時會影響到LED的壽命。

電壓電流與封裝

LED電壓與電流資料

0.06W，電壓是2.5-3.5V，電流是20mA。

0.5W，電壓是2.5-3.77V，電流是150mA。
1W，電壓是2.79-3.99V，電流是350mA。一顆就是大約1.155瓦。

3W，電壓是3.05-4.47V，電流是700mA。
5W，電壓是3.16-4.88V，電流是1000mA。
10W，電壓是3.3v，電流是3A。
比較低的瓦數為

電阻值計算參考網站  : LED 串聯電阻計算器
（電源電壓V－LED切入電壓V）÷限流電流A＝電阻值Ω
範例
使用變壓器.輸出為DC12V的電源下,串聯3顆超白光LED(1W的，電壓是2.79-3.99V，電流是300mA~350mA)。 電源電壓：12V LED切入電壓：我們取平均電壓3.5V
3.5V*3＝10.5 限流電流：300mA(mA千分之一安培)
帶入算式 （12V-10.5V）÷ 300mA＝5Ω

封裝方式，電子零件包中大概都會有直插式F5，若論封裝，燈珠之外，以貼片最多。

1. 貼片封裝為5050、5060、5630等中功率管，工作電流一般為50~150毫安；
2. 貼片封裝為3014、3528、3535等小功率管，工作電流一般為20~50毫安；3535是另外購買實驗燈珠。貼片燈珠，因為體積小，大部份需要低溫焊接。不知道為什麼區分成3V和6V兩種
3. 貼片封裝為0805、1206等小功率管，工作電流一般為10毫安。

波長

我們重點是光源的波長，這與晶粒有關。晶粒依材料不同會發出不同波長，也就是不同顏色的光。可見光的波長範圍從 470 奈米到 630 奈米，依序是紫、靛、藍、綠、黃、橙、紅。以氮化鎵 LED 為例，它可以發出藍光或綠光，鋁銦鎵磷 LED 則可以發出紅光、綠光或黃光。諸如此類，可以利用材料的選擇製作出不同色光的發光二極體。下圖是廠商資料(連結 連結 連結)

購買

起初在新竹百年蒐集到燈珠 395nm 455nm 465nm 515nm 525nm 590nm 620nm

百年電子零件櫃，猛一看好像是古代藥鋪

之後有轉往露天搜尋效果不顯著，最後是在Taobao幾家專業廠商找到完整解決方案，波長範圍精細(每個波長間隔約10nm到20nm)，價格又實惠。

不同波長LED燈珠，準備製作多彩燈

可見光：主要廠商連結，之後也在購買連結，補充了45mil光宏530-535nm功率：1发光颜色：其它，1w3w5w 光宏 绿光 led灯珠 530-535nm 大功率，六個。

紅外光：850nm F5插件，0.1W，監控安防用( 連結 )。整機的形式(連結1 連結2)，12V推動，裡面還有個光敏電阻，可以動態調整亮暗狀況。

近紅外光：整體來說或許因為需求少，價格都非常昂貴，參考過超自然光電研究所( 連結 )超貴的。實際購買過1450nm購買(連結)，實驗牙齒穿透。

其他各種奇怪的燈：
1.實驗飛行器吊載照明用，右邊的大功率燈板( 購買連結 )和燈泡( 購買連結 )。
2.圖片中間，攝影燈箱用LED燈條 ( 購買連結 )。
3.左邊是LED轉光纖的小設計。

4.還可以看見路邊路燈的本尊(連結)

LED光源各種附件：散熱和燈板

反光罩，燈珠專用的金屬反射面(購買連結  購買連結)，中型玻璃和壓克力(  購買連結   45度6個   5度10個 )，台灣連結。5050專用(  購買連結 ，買了兩個卻不見 )。

LD (Laser Diode) 雷射二極體

LASER（雷射）是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的縮寫，將英文簡單翻譯，其實雷射是將單一波長的光源透過一系統的結構進行放大，使得雷射光具有高強度、高同調性以及高指向性（光束集中）等特色。可以說雷射是被人為「創造」出來的，因此可以做到很多自然光做不到的事。

雷射的來源，除了二極體還包括氣體、固體雷射等(連結)。工作上較常使用的是功率較低的二極體雷射，所謂雷射的特性，就是能夠放射出波長和位相等性質完全相同的光，最大特色為干涉性強 (coherent) 。

二極體雷射的製造程序是：激發源（Pumping Source）、增益介質（Gain Medium）和共振腔（Resonant Cavity）。當電子處在高能階時，就會透過釋放能量（這邊指光子）的方式來回歸穩定，而這個釋放出的光子波長則由材料決定，因此是單一波長（頻率），這些釋放出來的光子就會在兩面反射鏡所形成的共振腔內反覆震盪，每次震盪通過增益介質後都會讓光越來越強，注入電流產生的光在2片鏡子之間(光諧振腔)來回行進，增幅至產生雷射振盪為止。最後產生高能量的「光」，再從其中一面設計過的鏡子發射出去就形成高能量的雷射光。

所以，簡單地說，雷射二極體可以說是利用反射鏡讓光增幅並開始發光的LED。具有高功率、集中性等特性。詳細介紹(連結   連結)。

連結

連結

而雷射依照增益介質的不同可以分為氣體雷射、液體雷射、固體雷射及半導體雷射四種，其中半導體雷射就是以三五族化合物，例如砷化鎵（GaAs ) 做為基板及增益介質，並利用 P/N 半導體及發光區產生的共振腔來產生雷射光。

這種雷射因體積小、功耗小、壽命長、容易控制等優點，應用非常廣。因為從側邊射出，所以此種雷射也稱為EEL：Edge Emitting Laser。

電機上，二極體雷射可區分為光源和驅動電路，一般便宜物件是光源和電路合一，頂多拉出TTL控制開關，但也有精密控制電流甚至溫度的高階產品，說明文件連結。連結。

概念是當電流小於Ith時，光以自發性幅射為主，為LED模式，此時發光的強度很弱。超過時雷射開始振盪，激發幅射強度隨著輸入電流增加而急遽增加，lth會隨著二極體的溫度上升而增加。從通訊角度來說，Ibias會是0，超過的Imod會是1，並起後面是穩定的0和1，並且是固定電流值達到穩定的光功率。

驅動板的概念 連結  連結 連結，前面提到驅動板最基本工作是提供電流，但電流會因為溫度和時間改變，所以依序加入PD回饋(基本)、以及溫度回饋(進階，若散熱好可忽略)。在此架構上，便宜和昂貴系統差別在於穩定和是否會燒壞LD。有那種五十元台幣產品(連結)，也有一千多元的，價差很大。不同產品介紹(連結)。

808nm~980nm 0.2~1W電路驅動 連結

808nm~980nm 0.2~1W電路驅動 連結

850簡單驅動 連結 但不保證能用多久啊

龍回  價格範圍200 600 1200，比先前貴很多，客服評估可以用在1550nm上 連結  名稱

搭配二極體的封裝也有許多規格，例如蝶形封裝( 連結 )

手邊有的波長：
1. 紅色超小瓦數(1)，ARDUINO實驗用。( 購買連結 )
2. 650nm 7mW (1)，預計測試共振。(購買連結)
3. 780nm 20mW VOP: 3-5V (2)，測試穿透琺瑯質(購買連結)
4. 850nm 5mW(2) ，眼底鏡計畫(購買連結) 供電預計是 3~4.2V  30mA以下
1550nm 單賣發光二極管(沒有電路連結   連結   連結)   這個有封裝過 連結

光源是光柱形式，也可加裝裝置產生不同形狀包括對焦，常見的是點光源，也有線和十字，還有直徑8mm 圓形光柵片(購買連結)打出來是很多點點。這兩個連結有光點的介紹。Laser Grating Lens 激光光柵片設計開發,激光虛擬鍵盤(連結)，Laser Grating Lens激光光柵片的雷射模組解決方案(連結)。

雷射的基座(3) 購買連結。

其他購買(連結)。

雷射通訊範例 連結  連結

雷射光班測量 連結

VCSEL

連結，和前述EEL相比，繼續介紹的是VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直共振腔面射雷射。材質上與EEL相同，但是型態上，EEL是由側邊發光，用來共振放大的兩面反射鏡就是直接由晶圓切開的兩邊形成，這種方法註定了 EEL 一定要先將晶粒一顆顆切開後才能加工封裝、這種雷射發出的光功率高，距離遠，且技術成熟，目前看到的雷射應用基本上都是用 EEL。但製程上相對複雜麻煩。

VCSEL是直接由晶粒表面發光，因此不用一顆顆切開就可以直接一次做加工，因此和 EEL 相比成本降低許多，且有低耗能、光束較集中等優點。缺點是發射距離較短(可用VCSEL Array彌補)。

連結

SLD (Superluminescent Diode) 超流明二極體

SLD可看作是LD的變型，差異如下圖，連結。

LD與LED波長差異

SLD詳細介紹 連結

雷射的特性是，頻寬很短，例如如1540 nm（奈米）的雷射脈波實際含蓋的範圍可能為1539.9 nm到1540.1 nm，同調距離通常可以到數米之長，不適合OCT細胞級別分析。SLD的低同調低相干光源，可用在OCT。SLD與LD光源雖然不同，但電路驅動板設計相同，目前計畫由回龍協助選定LD和SLD設備。

SLD 外觀，價格昂貴 參考連結

840nm 購買連結
1550nm 購買連結  連結

Monochrome Camera Sensor MT9J001

MT9J001

一直以來都是接觸BAYER PATTERN感光元件，最近研究NBI，特別去找了Monochrome(單色)感光元件，下面是操作筆記。

世界之所以多采多姿，是因為有不同波長和強弱的光。這些不同波長的光進入人眼後投射在視網膜平面，就會刺激其上散佈的數百萬個視錐細胞，每個視錐細胞內又因為含有不同的色素，就能反映出當下不同波長(顏色)的信號，再傳入大腦中，即成為主動感知資訊。

與人眼相比，底片成像的物理性較高，黑白底片是有一層能感應光線強弱的感光劑，定影後顯示灰階效果。彩色底片則是塗抹三層不同感色能力的感光劑，最上層的感光層只感應藍色，中間層只感應綠色，最下層只感應紅色，各感光層是獨立感光且會各自染出不同顏色，也因為感應後染色的反應不同，三層不同顏色的感光層疊加，再經過顯影定影後，就會成為彩色照片。

數位相機感光元件的概念，介於人眼和底片之間。感光元件是個平面，佈滿著矩陣排列的感光像素，每個像素能反映出當時光線的強弱(這部分類似於黑白底片)。但每個都是相同的感光像素要如何表現出彩色訊號呢？

1976年，Bryce Edward Bayer提出color filter array概念，透過格狀濾光片，取得某個點的紅或綠或藍三色中某色強度，再由附近像素，插分組額出該點紅、綠、藍三色。這方法可精巧重現色彩資訊，也因此將數位影像帶入了彩色時代。而且加入color filter array後，只要套用0.30*R + 0.59*G + 0.11*B，就能將彩色資訊再轉換為黑白數值。也就是說，彩色數位相機可同時達到彩色和黑白兩者需求。

市場主導下，很快的所有消費型數位相機，都是具備color filter array的彩色感光元件。只有少數要觀察的物體和環境光源波長有特定關係時(例如我正接觸的NBI或工業製程或OCT或Holographic Microscopy)，會在乎color filter array濾光片誤差，以及感光靈敏度，才會尋找無color filter array感光元件。

下圖是自帶color filter array的量測結果，因為濾光片的效果，不同波長的反應程度有很大不同。

下圖是移除濾光片後的靈敏度表現，可以發現都更為靈敏。

無CFA的幾種方案。

1. 無CFA感光膜組：OV和ON-Semi(前身為Aptina)。
2. 市場上整機產品：例如Firefly MV 相機USB2.0 - FMVU-03MTM/C-CS(產品連結   SPEC文件)。或是台灣的The Imaging Source 兆鎂新(連結)。
3. 手動移除：有點好笑，連結一，連結二。

目前採用方案一，ON-Semi的MT9J001(連結)。特點如下。

1. Monochrome Bayer pattern同型號MT9J003是color filter模組
2. 1/2.3" optical format
3. 10MP 3856 x 2764 MT9J001 sensor
4. 1.67 x 1.67 um Pixel size
5. 7.5fps at full resolution
6. 0.31V/lux-sec responsivity
7. 65.2dB dynamic range
8. single 3.3V power input
9. Parallel camera interface
10. 一般類似的小型感光元件都會自帶陽春ISP(Image Signal Processor)，這顆沒有，所以要自行設定exposure, white balance, gain settings

Camera Digital Interface

藉著這個sensor，另外加入控制硬體相關知識。因為WINDOWS無法直接控制感光元件，元件開發者還有販售影像轉換板，做為中間橋梁。順便加入sensor和MCU的資料傳送機制，camera digital interfaces設定為以下幾類(連結)。

Camera Parallel Interface (CPI) 這是常見的方式，也是目前這顆sensor使用方式

又包含了兩部分：
1. control the interface : I2C bus ,  control the various registers of the camera module. 包括SDA (data) and SCK (clock).

2. image data itself : parallel bus

  Image data is output for each rising edge of PCLK. HREF is high while clocking out active image

data for each scan line. VSYNC is pulsed high at the start of each frame. 

Camera Serial Interface 又區分三種 CSI-1 CSI-2 CSI-3，這也就是MIPI部分

同樣是兩個部分：

1. control the interface : 維持

2. image data itself : The parallel portion is replaced differential clock and data signals.

CSI-1 has a single data pair and a single clock pair.

CSI-2 can provide multiple data pairs.

CSI-3 is an extension of CSI-2 and accounts for additional protocol specifications and EMI concerns.

兩者的組合比較如下

連結位置

LVDS (low voltage differential signaling) 只知道可以用更低的電壓傳送訊號，詳細內容完全不知。

控制軟體

可選擇WINDOWS或RASP。WINDOWS位置在C:\Users\kayjean\Downloads\ArduCAM_USB_Camera_Shield-master\ArduCAM_USB_Camera_Shield-master\Windows\GUI\USBTest\x64\Release

設定下面數值，還可以控制，控制的文件(連結)。
曝光值Exposure 12306 100
GAIN值 12328 50

WINDOWS APP的控制畫面

鏡頭相關資料

Default M12 mount 4.2mm LS-18023 lens。

購買約12USD 連結

從MOUNT的角度來說，CS/C MOUNT(連結)是為固定機構相機的設計，類似的小型鏡頭模組有自己形式。這個網頁提供非常多科普知識(連結)，包括如何計算並選擇出適合功能需要的鏡頭模組(計算連結)。

因為鏡頭可以移動，試著亂調整鏡頭位置，發現越接近感光元件，成像較大一些較模糊，越遠離感光元件，成像較小一些也較模糊。

在合適範圍內，最近對焦距離可以控制三到五公分(此時遠距離模糊)，一公尺以外要清楚必須稍微再旋轉調整鏡頭位置(手動對焦啦)。

解析度還不錯

實驗過程

實驗步驟一，在黑暗狀況下，以不同波長光線，拍攝同一個色板，從成像可以看出，亮度部分明顯不同。

以綠光拍攝舌下，可以發現明顯血管線條和分布狀況。

NBI利用血管對不同波長光線的不同反射狀況

其他
1.OCT特殊850左右的波長，目前看起來，螢火蟲相機對波長的容忍度較大。
2.目前鏡頭模組似乎有加裝IR filter，或許要拔除。