野戰(zhàn)LED手術(shù)無影燈的光路設(shè)計(jì)

周文光，魏培德，沙益夫，孔悅

解放軍第174醫(yī)院，福建 廈門 361003

野戰(zhàn)LED手術(shù)無影燈的光路設(shè)計(jì)

周文光，魏培德，沙益夫，孔悅

解放軍第174醫(yī)院，福建 廈門 361003

目的 設(shè)計(jì)一種具有優(yōu)秀光學(xué)參數(shù)的手術(shù)無影燈。方法 以多顆大功率LED為點(diǎn)光源，通過4個(gè)層次的光學(xué)聚焦設(shè)計(jì)，將整個(gè)LED陣列的出射光線匯聚于手術(shù)照明區(qū)域內(nèi)。結(jié)果 經(jīng)測試，本無影燈各光學(xué)參數(shù)均優(yōu)且超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，具有發(fā)光效率高、無影效果好、照射區(qū)溫升低、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)論 本無影燈光線質(zhì)量好，非常適用于野戰(zhàn)手術(shù)照明。

手術(shù)無影燈；LED；野戰(zhàn)；聚焦設(shè)計(jì)

1 研究背景

采用傳統(tǒng)燈泡作為光源的野戰(zhàn)手術(shù)無影燈，普遍存在光電轉(zhuǎn)換效率較低，能耗較大等缺點(diǎn)。此類光源光線中含有大量的紅外線輻射，長時(shí)間照射易導(dǎo)致手術(shù)區(qū)溫升變高，甚至灼傷人體組織；部分無影燈通過采用在光源前端加裝特殊玻璃鍍膜層的方法，可濾除一部分紅外線，因此也加大了無影燈燈頭的成本及重量。本研究以多顆低熱輻射的大功率LED（發(fā)光二極管）為點(diǎn)光源，通過4個(gè)層次的光學(xué)聚焦設(shè)計(jì)，將整個(gè)LED陣列的出射光線匯聚于手術(shù)照明區(qū)域內(nèi)，可以較好地解決傳統(tǒng)手術(shù)燈手術(shù)區(qū)溫升過高和燈頭過重等問題，本文具體討論LED手術(shù)無影燈的光路設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)思路

（1）選用28顆大功率LED為點(diǎn)光源，LED選用具有發(fā)光效率高、顯色效果好、使用壽命長、故障率低、抗沖擊力強(qiáng)的產(chǎn)品。

（2）根據(jù)《YY0627-2008 醫(yī)用電氣設(shè)備第2部分手術(shù)無影燈和診斷用照明燈安全專用要求》，確定所需中心照度的大小、 LED的數(shù)量等參數(shù)。

（3）對整個(gè)LED陣列進(jìn)行4個(gè)層次的配光設(shè)計(jì)，使多束光束匯聚于手術(shù)照野中心位置。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 光源的選擇

LED是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出各種顏色的光[1]。LED的發(fā)光原理符合量子理論，滿足公式：ν=ΔE/h（h為普朗克常數(shù)），也就是說，通過選用合適的材料，可使LED中載流子復(fù)合后放出定量過剩的能量，從而使LED的發(fā)光光譜具有很好的選擇性，做到所發(fā)光線幾乎不含紅外線，因此，被照射區(qū)幾乎不產(chǎn)生溫升。其基本構(gòu)架是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)帶有引線的基架上，四周用環(huán)氧樹脂密封，保護(hù)內(nèi)部芯線，抗震性能好，能夠適應(yīng)惡劣的野外環(huán)境。將LED與傳統(tǒng)光源性能進(jìn)行對比結(jié)果，見表1。

與其他發(fā)光器件相比，LED還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）發(fā)光效率高。其發(fā)光不同于白熾燈鎢絲發(fā)光的原理，而是采用電場發(fā)光，直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，光電轉(zhuǎn)換效率高于普通白熾燈。

（2）壽命長。LED的使用壽命長達(dá)1×105h，是傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)鹵素光源的50倍。

（3）環(huán)保。LED不存在諸如水銀、鉛等環(huán)境污染問題，廢棄物易回收，環(huán)保安全，是綠色環(huán)保產(chǎn)品。

表1 LED與傳統(tǒng)光源性能進(jìn)行對比的結(jié)果[2]

3.2 LED數(shù)量的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)：選用多顆大功率LED為點(diǎn)光源從多個(gè)角度投射到1m處的照明區(qū)域內(nèi)，光斑中心照度滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并綜合考慮LED的系統(tǒng)效率。

根據(jù)《YY0627-2008 醫(yī)用電氣設(shè)備第2部分手術(shù)無影燈和診斷用照明燈安全專用要求》[3]，在照明光束未被遮擋的情況下，距設(shè)備光發(fā)射外表面下1m處光斑中心照度≥4×104Lux，顯色指數(shù)≥85，色溫3000～6700K。臨床實(shí)際使用的照度一般以4×104～1×105Lux為宜，過亮?xí)绊懸暳4]。本設(shè)計(jì)中光斑中心照度為6×104Lux，光斑直徑取20cm，則目標(biāo)光通量Φ = E·S=6×104×πr2=6104×3.14×0.01=1884Lm（式中E為中心照度，S為光斑直徑所對應(yīng)的面積）[5]。

實(shí)際所需光通量的確定需考慮到以下2個(gè)因素：

（1）光學(xué)系統(tǒng)效率。因一次光學(xué)設(shè)計(jì)后的LED芯片的發(fā)光角度較大，無法達(dá)到聚焦效果，故需在LED芯片前加裝二次光學(xué)透鏡以達(dá)到聚焦的目的。為達(dá)到更好的聚焦，本次設(shè)計(jì)在LED芯片前端加裝3塊光學(xué)透鏡，將光線匯聚在≤5°的發(fā)光角內(nèi)。每片透鏡的透光率為99%，故本設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)發(fā)光效率為99%×99%×99%≈97%。

（2） 熱效率。LED的光通量輸出隨著結(jié)溫的上升而降低。結(jié)溫保持在80℃或以下時(shí)LED可在額定為50000h后提供平均70%的流明維持率[6]。當(dāng)最高合適結(jié)溫為80℃時(shí)對應(yīng)的最小相對光通量為85%。故本設(shè)計(jì)的熱效率為85%。

綜合以上2個(gè)因素，則實(shí)際所需總的光通量：

本設(shè)計(jì)選用特制的LED，單顆最大功率可達(dá)3W，額定工作條件（電壓3V、電流350mA）下有效光通量：Φ單（單顆LED有效光通量）為90～100 Lm。當(dāng)取Φ單=90Lm，則所需LED的數(shù)量為：n = Φ總/Φ單= 2285/90=26顆。考慮到熱損耗，實(shí)際設(shè)計(jì)中采用28顆LED，分為并聯(lián)的4個(gè)模塊，每個(gè)模塊由7顆串聯(lián)的LED外加1塊恒流驅(qū)動板組成。

3.3 LED排布陣列的設(shè)計(jì)

3.3.1 一次配光設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)關(guān)鍵：LED的一次配光設(shè)計(jì)決定LED的光通量、色溫、顯色指數(shù)等。

一般情況下，用藍(lán)光激發(fā)黃色熒光粉就可產(chǎn)生白光，而且黃色熒光粉的激發(fā)效率很高，可以得到較高光效的LED。但是這種形式的LED顯色指數(shù)較低。為提高顯色指數(shù)，本設(shè)計(jì)將高效綠色熒光粉、黃色熒光粉、紅色熒光粉按一定比例混合，再用藍(lán)光LED芯片激發(fā)混合熒光粉，這樣就得到顯色指數(shù)較高的LED[7-9]。

3.3.2 二次配光設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)關(guān)鍵：LED的二次配光設(shè)計(jì)決定LED的出射光線以一較小的空間角匯聚于照明區(qū)域內(nèi)，使得整個(gè)系統(tǒng)的出光效果、光強(qiáng)分布達(dá)到期望的要求。

普通功率型LED發(fā)光半值角一般在120°，由于透鏡口徑的限制，大角度的光無法校正，無法從透鏡射出，造成了光的損失[10]。采用特殊設(shè)計(jì)的聚光型LED半值角只有50～60°，這樣保證LED所發(fā)出的光大部分直接照射到透鏡上，再由透鏡校正后射出[11-12]。本設(shè)計(jì)采用聚光型LED，見圖1。

圖1 功率型LED出光圖

在使用LED發(fā)光器件時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的出光效果、光強(qiáng)、色溫的分布狀況也必須進(jìn)行設(shè)計(jì)，把器件發(fā)出的光線集中到期望的照明區(qū)域內(nèi)，從而讓整個(gè)LED照明系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)的需要，此為二次配光設(shè)計(jì)。本次通過在LED前端加裝透鏡組進(jìn)行二次配光設(shè)計(jì)，使其發(fā)出的光線集中在空間角≤5°的照明區(qū)域內(nèi)，見圖2。

圖2 二次配光示意圖

3.3.3 三次配光設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)關(guān)鍵：將多顆LED燈珠均勻排布于圓弧形燈盤上，使多束光線疊加于照明區(qū)域內(nèi)。單燈頭光路示意圖，見圖3；單燈頭實(shí)物圖，見圖4。

圖3中，ABCDEFO為7顆LED燈珠，每顆LED均以≤5°的空間角出射光線，將7顆LED燈珠均勻排布于圓弧形燈盤上，在燈頭垂直方向上形成一段80cm左右的光柱，在燈頭高度改變的同時(shí)光柱也隨之升降，實(shí)現(xiàn)在不同高度上均可獲得理想的光斑。由于LED是一種非相干光源，因此，7個(gè)LED對平面上某一區(qū)域的光照度為其單個(gè)的疊加，形成以HG為直徑的光斑區(qū)域。

圖3 單燈頭光路示意圖

圖4 單燈頭實(shí)物圖

3.3.4 四次配光設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)關(guān)鍵：將4個(gè)小燈頭與手術(shù)照野軸線以一定傾角呈對稱排布，通過轉(zhuǎn)動手動聚焦機(jī)構(gòu)使4個(gè)小燈頭在不同高度均可聚焦出手術(shù)光斑，并形成具有一定深度的光柱。

4個(gè)小燈頭與手術(shù)照野軸線以一定傾角呈對稱排布，組成整個(gè)無影燈燈頭，提高整個(gè)照明區(qū)域的光照度強(qiáng)度和均勻性，同時(shí)使燈頭下空氣流通無死角，滿足手術(shù)層流凈化要求，見圖5～6。

通過轉(zhuǎn)動手動聚焦機(jī)構(gòu)使連接桿1～4沿軸線上下擺動，進(jìn)而帶動4組LED的小燈頭同步產(chǎn)生向心擺動，同步是指每個(gè)小燈頭的聚焦中線在任意時(shí)刻均同時(shí)指向整臺無影燈的垂直中線上的某一點(diǎn)，向心擺動是指改變每組燈頭垂直中線相對于手術(shù)照野軸線的夾角，即可實(shí)現(xiàn)在不同的投照距離上，多束光束均可匯聚于手術(shù)照野中心位置的目的。4組燈頭會聚于以J1K1為直徑的光斑區(qū)域內(nèi)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手動聚焦機(jī)構(gòu)，連接桿1～4沿軸線向上擺動，帶動4組燈頭同步向上擺動，即每組燈頭垂直中線相對于手術(shù)照野軸線的夾角變大，則會聚出以J3K3為直徑的圓形光斑。同理，若順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手動聚焦機(jī)構(gòu)，光斑將向靠近燈頭的方向移動。光斑直徑J1K1為20cm。

圖5 整燈光路示意圖

圖6 整燈實(shí)物圖

多束光線從多個(gè)角度會聚疊加于燈頭垂直中線空間內(nèi)，形成以J1K1K2J2為頂點(diǎn)的圓柱型光柱，在光柱范圍內(nèi)均可提供手術(shù)所需的必要光照度，大小為中心照度的20%，本設(shè)計(jì)中約為12400 Lx，圖中K1K2=870mm。

4 系統(tǒng)測試

依據(jù)《YY0627-2008 醫(yī)用電氣設(shè)備第2部分手術(shù)無影燈和診斷用照明燈安全專用要求》中的檢測方法，對本無影燈各光學(xué)參數(shù)進(jìn)行測試。檢測機(jī)構(gòu)為：廈門市半導(dǎo)體照明檢測認(rèn)證中心（廈門大學(xué)分部），檢測儀器為：IS Spectro320e光譜儀、Ocean Optics HR4000光纖光譜儀。

檢測結(jié)果：中心照度62096Lx；色溫5316K；顯色指數(shù)90；光柱深度870mm；總輻照度206.5 W/m2。各參數(shù)均優(yōu)且超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 小結(jié)

LED作為新一代固體發(fā)光器件，具有使用壽命長、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。但目前LED由于發(fā)光效率不是太高，以及由于光效不高而引起的如散熱、單顆光通量太小、顯色指數(shù)等問題也制約了其在照明領(lǐng)域的應(yīng)用。但LED發(fā)展很快，已有報(bào)道實(shí)驗(yàn)室樣品光效可達(dá)500Lm/W，相信在不久的將來，技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)光效達(dá)500Lm/W甚至更高的白光LED。屆時(shí)無影燈的光照度可提升至更高的一個(gè)層次，散熱問題也可得到進(jìn)一步解決。

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Optical Research of Shadowless Lamp Based on LED in Field Operation

ZHOU Wen-guang, WEI Pei-de,SHA Yi-fu, KONG Yue
The 174 Hospital of PLA, Xiamen Fujian 361003, China

Objective To design a operating shadowless lamp with excellent optical parameters. Methods Sourced by several high power LED spot lights, focus the LED array light on the target surgical area with a 4-level optical focusing design. Results After testing, the shadowless lamp possess better optical parameters than industry standard, including higher luminous efficiency, less shadow, lower exposed area temperature and longer service life. Conclusion The high-quality shadowless lamp is suitable for surgical lighting.

operating shadowless lamp; LED; field operations; focusing design

TM923.4

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.12.008

1674-1633(2011)12-0031-04

2011-08-23

南京軍區(qū)2007年度科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助（07M062）。

專利：國家專利（ZL200620114526.3）。

本文作者：周文光，主任技師，主要從事醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量控制、使用管理等研究工作。

孔悅 ，護(hù)理部主任，副主任護(hù)師。

作者郵箱：zhouwgsun@126.com