醫(yī)用紅光LED的均勻性及焦距測試

趙 麗，崔立杰

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222)

引言

隨著如今科技的迅速發(fā)展，LED因為有壽命長、輕便、耗電少和環(huán)保的特性，使其在多方領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。其中在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域LED照明和對疾病的診斷與治療是現(xiàn)在的熱門研究課題之一[4]。在現(xiàn)階段，隨著LED在醫(yī)療器械領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[5]。在醫(yī)用的照明方面，LED可以用作手術(shù)時的照明設(shè)備，用LED作為無影燈，其優(yōu)點是LED的照明溫度低，不會灼傷創(chuàng)面，而且其顏色可以真實的呈現(xiàn)創(chuàng)面的顏色；在醫(yī)用診斷方面，LED因為體積小、低功耗、低電壓的特點被用在胃鏡的檢查領(lǐng)域；在醫(yī)療治愈方面，藍(lán)光LED可以治療嬰兒黃疸，高亮的紅光LED成為光動力療法的一種重要手段，不同峰值波長的LED對于皮膚的治療也有不同的療效，627 nm的LED可以美白皮膚，而405 nm的LED則可以治療皮膚上的痤瘡[6]。目前，LED治療心里疾病的研究正在逐步發(fā)展，因此基于以上LED的用途，醫(yī)用LED的要求也越來越高。

對于醫(yī)用LED的光輻均勻性在醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和醫(yī)療器械國家標(biāo)準(zhǔn)中有了明確的要求[7]。因為通過LED 的電流大小決定了LED的亮度，所以在有恒流電源的前提下，本文利用LED光色分析測試系統(tǒng)，對于不同峰值波長的紅光LED，進(jìn)行串聯(lián)測試，分析在不同照射距離下的均勻性是否有著差異，并且尋找出各峰值波長在不同照射距離下的均勻性與光效有何不同。

1 LED光源

基于醫(yī)用紅光LED對于照射光源的要求，設(shè)計并定制出寬為25 mm、長為500 mm的鋁制板燈條若干，每條發(fā)光面積約12 500 mm2。每個燈珠的功率為0.1 W，每條燈條上等距離分布16個LED。為了研究不同距離對于不同峰值波長LED的均勻性影響，需要將峰值波長分布在610～670 nm的紅光LED焊烤在燈條上分別進(jìn)行實驗。表1是峰值波長為610 nm的LED到峰值波長為670 nm LED的基本參數(shù)。

表1 七種不同峰值波長紅光LED基本參數(shù)Table 1 Seven basic parameters of red LED with different wavelengths

2 試驗過程與設(shè)備

1)試驗過程。每次設(shè)計了4個不同距離的照射試驗，分別是100～400 mm來測試出受光面各個受光點的均勻性，之后設(shè)計8個不同照射距離的試驗去測試受光面的綜合平均光強(qiáng)。 因為本次試驗所制備的燈條是長條形狀，所以選取的受光面是長方形，單個LED光源的照明示意圖如圖1所示，且在受光面上均勻選取8個受光點，如圖2所示?？紤]因需求燈條投射的光面積需要大于燈條本身的面積，受光面則選取150 mm×500 mm為受光面積，相對于較窄的受光面積可以更加的切合實際需求。不同距離下對于不同峰值波長醫(yī)用紅光LED發(fā)光板到8個不同受光點的光通量密度和光照度分別進(jìn)行測試，隨后通過統(tǒng)計軟件求平均與標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)計算每個距離下各個數(shù)據(jù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，最后求出數(shù)據(jù)的變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差/均值)，變異系數(shù)決定著其均勻性的好壞，變異系數(shù)越小，則數(shù)據(jù)之間的差異越小，均勻性越高。

圖1 單顆LED照明Fig.1 Single LED illuminating schematic

圖2 受光面受光點圖Fig.2 Light spot drawing

2)其他試驗設(shè)備。TES-1333太陽能輻射測試儀是一款輕巧簡便的光輻射測試裝置，只要將儀器頂端的感測器置于光下，便可以測量出光通量,測量范圍為0～2 000 W·m-2。標(biāo)智GM1010光照度計，在測量的時候需要受光點與照度計的光探頭相對應(yīng)放置。測量范圍為0～20 000 lx。

3 試驗結(jié)果

在擁有恒流源并且照射距離不同的情況下，對于不同峰值波長的LED的光通量密度和光照度也有著影響。光通量密度試驗數(shù)據(jù)選取峰值波長為610 nm與670 nm的紅光LED為代表，實驗結(jié)果如表2、表3所示，光照度試驗數(shù)據(jù)也選取610 nm與670 nm紅光LED作為代表，實驗結(jié)果如表4、表5所示。

表2 不同照射距離對610 mm LED不同受光點光通量密度的影響Table 2 Effects of different irradiation distances on light flux density of 610 mm LED under different light spots W·m-2

注：①②③④⑤⑥⑦⑧代表8個受光點(見圖2)

表3 不同照射距離對670 mm LED不同受光點光通量密度的影響Table 3 Effects of different irradiation distances on light flux density of 670 mm LED under different light spots W·m-2

表4 不同照射距離對610 mmLED不同受光點光照度的影響Table 4 Effects of different irradiation distances on illuminance of 610 mm LED under different light spots lx

表5 不同照射距離對670 mm LED不同受光點光照度的影響Table 5 Effects of different irradiation distances on illuminance of 610 mm LED under different light spots lx

根據(jù)表2和表3所示的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，受光面上8個不同受光點所接收的光通量是不同的，在照射距離為100 mm時，受光點①④⑤⑧相對于受光點②③⑥⑦所接收的光通量密度要少90%，在照射距離為200，300 mm和400 mm時，受光點①④⑤⑧接收的光通量密度大約為受光點②③⑥⑦所接收的光通量密度的20%～50%，通過對變異系數(shù)的比較可以看出，其大小是跟隨照射距離變化的，照射距離越大，變異系數(shù)越小，不同受光點所接收的光通量密度差值越小，受光面受光越均勻。其折線圖如圖3和圖4所示。

圖3 610 nm LED光通量密度折線圖Fig.3 610 nm LED light flux density line diagram

由表4和表5可以看出，光照度與光通量的變化規(guī)律是相似的，對于不同峰值波長的紅光LED，在照射距離為100 mm時，受光點①④⑤⑧相對于受光點②③⑥⑦所接收的光照度也是要少90%左右，在照射距離為200、300 mm和400 mm時，受光點①④⑤⑧接受的光通量密度大約為受光電②③⑥⑦所接收的光通量密度的15%～80%，雖然有一些差異，但是總體的規(guī)律皆是隨著照射距離的增加而使受光面的變異系數(shù)減小，也就是說隨著照射距離的增加，各個受光點的光照度均勻性也越來越好。其折線圖如圖5和圖6所示。

圖4 670 nm LED光通量密度折線圖Fig.4 670 nm LED light flux density line diagram

圖5 610 nm LED光照度折線圖Fig.5 610 nm LED illuminance line diagram

圖6 670 nm LED光照度折線圖Fig.6 670 nm LED illuminance line diagram

在測試各受光點進(jìn)行試驗之后，對于整體受光面的光照度與光通量密度進(jìn)行了試驗，共進(jìn)行了6次測試，測試數(shù)據(jù)如表6和表7所示。結(jié)果折線圖如圖7和圖8所示。

表6 不同照射距離對LED受光面光通量密度的影響Table 6 Effect of different irradiation distance on light flux density of LED W·m-2

表7 不同照射距離對LED受光面光照度的影響Table 7 Effect of different irradiation distances on the light intensity of LED lx

圖7 受光面光照度折線圖Fig.7 Folded line diagram of light irradiance

圖8 受光面光通量密度折線圖Fig.8 Light flux density line diagram of light surface

觀察表6與表7數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在受光面上，不論是哪種峰值波長的紅光LED在增加照射距離的情況下，光照度與光通量密度都是呈現(xiàn)出先增加后衰減的趨勢，也就意味著當(dāng)達(dá)到一定的照射距離時，即300 mm的照射距離，LED在受光面上的光照度與光通量密度都達(dá)到一個極值，此時的受光面上光照度與光通量密度都是最好的。當(dāng)超過這個照射距離后，LED發(fā)出的光會受到空氣中介質(zhì)以及繼續(xù)增加的照射距離的影響，受光面所接收的光強(qiáng)越來越小，即光照度與光通量密度越來越小。

由此可以看出，本次實驗的醫(yī)用紅光LED，具有較好的均勻性，并且?guī)в型哥R，焦距為300 mm。本文通過對不同峰值波長的醫(yī)用紅光LED進(jìn)行實驗，最后證明雖然不同峰值波長的LED光照度與光通量密度的分布規(guī)律有著微小的差異，但是其分布規(guī)律卻與峰值波長無密切關(guān)系，同樣的，LED的焦距也不會因峰值波長的改變而變化。因此在以后的測量實驗中，可以參考本文避免對同色且峰值波長比較接近的LED進(jìn)行反復(fù)測試，而應(yīng)該對某一LED進(jìn)行多次測試以保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性與普遍性。

4 結(jié)論

本文通過研究醫(yī)用紅光LED在不同照射距離下的光照度與光通量的均勻性發(fā)現(xiàn)，對于8個不同受光點，每個點之間光照度與光通量的變異系數(shù)隨著照射距離的增減而減小，即均勻性越來越好；并通過對整個受光面的光照度與光通量密度測量確定了LED光源的焦距為300 mm。

依照當(dāng)前現(xiàn)在的醫(yī)用LED來說，在治療病變時，對于患者是的照射治療是采取全面照射還是局部照射，或者是要追求LED光的均勻性，都是需要實際慎重考慮的問題。所以LED光照的均勻性研究也就變得格外重要，雖然在毫米間隔的照射距離下所產(chǎn)生的均勻性差異并不大，但是對于醫(yī)用來說，細(xì)微的差異就可能帶來巨大的變化。因此，今后針對醫(yī)用LED研究必將愈加完善，其性能參數(shù)也會影響療效。