直下式LED黃疸燈的設(shè)計(jì)與制作

李建鵬， 郭震寧,*， 林介本， 張佳寧， 陳中行， 薛冬冬， 黃學(xué)鈴

(1. 華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 福建省光傳輸與變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361021;2. 泉州市世芯智能照明技術(shù)研究院有限公司， 福建 泉州 362302)

1 引 言

新生兒黃疸是新生兒常見的病癥，病情嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接威脅到新生兒的健康和生命[1]。光療作為新生兒黃疸病的一種治療方法[2]，因其療效好、方法簡(jiǎn)單易行、安全和副作用少等優(yōu)點(diǎn)[3]，已在臨床上被廣泛使用[4]。傳統(tǒng)的新生兒黃疸光療燈主要有鹵素?zé)?、白熾燈和熒光燈等，但這些光源都有光衰強(qiáng)、壽命短、輻射光譜不穩(wěn)定和頻閃等缺點(diǎn)，且含有對(duì)人體有害的紅外光和紫外光[5]。LED作為第四代照明光源[6]，具有光效高、體積小易設(shè)計(jì)、壽命長(zhǎng)、抗震性能好、光色性能好、穩(wěn)定以及環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，在新生兒黃疸病治療光源以及其他特種照明應(yīng)用中很有發(fā)展前景。

目前，在新生兒黃疸光療方面已有很多研究。蘇祥菊[9]對(duì)比了間歇性與持續(xù)性藍(lán)光照射在新生兒黃疸治療中的效果，證明間歇性藍(lán)光照射能夠更有效地減輕患兒的痛苦，提高治療依從性。Li等[10]證實(shí)了皮膚接觸式護(hù)理(Kangaroo mother care,KMC)可有效減少黃疸患兒的光療時(shí)間。周康良[11]將藍(lán)光照射和中藥外洗相結(jié)合，快速有效地降低了患兒總膽紅素的濃度水平，縮短了光療時(shí)間。本課題組對(duì)LED黃疸光療燈也做了許多研究。張佳寧等[12]通過發(fā)光光譜研究了不同黃疸治療光源潛在的紫外輻射、熱輻射等光生物安全問題，提出藍(lán)光LED是治療新生兒黃疸的理想光源。甘汝婷等[13]以新生兒體內(nèi)膽紅素的吸收光譜為目標(biāo)光譜，采用不同峰值波長(zhǎng)的4種單色LED對(duì)目標(biāo)光譜進(jìn)行構(gòu)造和優(yōu)化，研制出一種用于治療新生兒黃疸病的直下式LED平面光源(直下式LED黃疸燈)。然而，其在基板上只對(duì)4種單色LED進(jìn)行了簡(jiǎn)單的排布，盡管在接收面(嬰兒床)上實(shí)現(xiàn)了照度均勻，但接收面上各點(diǎn)接收到的光源光譜卻存在差異，降低了該燈的光療效果。

本文主要改進(jìn)4種單色LED在同一基板上的排布方式，使接收面上實(shí)現(xiàn)足夠照度均勻度的同時(shí)，還使直下式LED黃疸燈在接收面上各點(diǎn)所接收到的光源光譜相同(平面光譜分布均勻)，以充分保證直下式LED黃疸燈對(duì)黃疸病的治療效果。

2 平面光譜分布均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)

假設(shè)接收面上有A和B兩點(diǎn)，并令A(yù)和B接收到的光源相對(duì)光譜功率分布分別為L(zhǎng)a和Lb。鑒于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)都是對(duì)應(yīng)特定波長(zhǎng)的離散數(shù)據(jù)[14]，若令某一波長(zhǎng)λ0下的相對(duì)光譜密度為L(zhǎng)(λ0)，則可將La和Lb以相對(duì)光譜功率分布矩陣做如下表達(dá)：

La=(La(λ1),La(λ2),La(λ3),…,La(λm)),(1)

Lb=(Lb(λ1),Lb(λ2),Lb(λ3),…,Lb(λm)),(2)

本文采用相關(guān)指數(shù)(R2)來評(píng)價(jià)La與Lb的一致性[15]，即接收面上A和B兩點(diǎn)之間的平面光譜分布均勻性，其計(jì)算公式為：

Pab=R2=

平面光譜分布均勻度Pab越接近于1，表明A點(diǎn)光譜與B點(diǎn)光譜越接近，兩點(diǎn)的平面光譜分布均勻性越好。將接收面上各點(diǎn)光譜與其中一點(diǎn)光譜(參考光譜)進(jìn)行平面光譜分布均勻度P的計(jì)算，當(dāng)其中最低值越接近于1時(shí)，則接收面上的平面光譜分布均勻性越好。

3 實(shí)現(xiàn)平面光譜分布均勻性的LED陣列排布

本文直下式黃疸燈所用4種單色LED光源都為2835貼片式，功率皆為0.1 W，其具體光電參數(shù)以及LED使用數(shù)量如表1所示。運(yùn)用遠(yuǎn)方光電股份有限公司生產(chǎn)的YF1000光色電測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行光譜測(cè)試，獲得4種單色LED光源的相對(duì)光譜分布，如圖1所示。

圖1 4種單色LED光源的相對(duì)光譜分布圖

Fig.1 Relative spectral distribution of 4 kinds of monochromatic LEDs

表1 4種單色LED的光電參數(shù)

3.1 實(shí)現(xiàn)平面光譜分布均勻的設(shè)計(jì)思路

本文通過對(duì)基板上4種單色LED的排布方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，先在直下式LED黃疸燈的出光面上實(shí)現(xiàn)平面光譜分布均勻，接著通過出光面放置物(擴(kuò)散板或其他透明罩)對(duì)各單色LED輻射光進(jìn)一步散射混合，從而在接收面上實(shí)現(xiàn)平面光譜分布均勻。直下式LED黃疸燈出光面上的平面光譜分布均勻設(shè)計(jì)思路示意圖如圖2所示。其中，ID1、ID2、ID3和ID4分別為L(zhǎng)ED1、LED2、LED3和LED4在直下式LED黃疸燈出光面上的照度分布；LED1、LED2、LED3和LED4分別代表峰值波長(zhǎng)為445,465,475,495 nm的單色LED。

Total spectrum Ⅰ是出光面Ⅰ位置上接收到的總光譜，由LED1、LED2、LED3和LED4分別輻射在Ⅰ位置上的分光譜spectrum 1Ⅰ、spectrum 2Ⅰ、spectrum 3Ⅰ和spectrum 4Ⅰ構(gòu)成。當(dāng)LED1、LED2、LED3和LED4分別輻射在Ⅰ位置上的4個(gè)照度能量值的比例變化時(shí)，其總光譜的分布形態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，出光面Ⅱ位置和Ⅲ位置上總光譜的分布形態(tài)可同理推知。因此，當(dāng)4種單色LED在Ⅰ位置、Ⅱ位置和Ⅲ位置上具有相同的照度能量比例時(shí)，這3個(gè)位置上總光譜的分布形態(tài)是相同的。同理，當(dāng)ID1、ID2、ID3和ID4都為均勻的照度分布時(shí)，4種單色LED在出光面各位置上的照度能量比例相同，則出光面上各位置都具有相同的光譜分布形態(tài)，即在出光面上實(shí)現(xiàn)平面光譜分布均勻，進(jìn)而在接收面上實(shí)現(xiàn)平面光譜分布均勻。

3.2 基板上的LED陣列排布

LED為朗伯光源且不加裝大角度透鏡時(shí)[16]，矩形LED陣列的距高比等于或小于1時(shí)，直下式LED面板燈的出光面會(huì)有高均勻度的照度分布。本文在設(shè)計(jì)直下式LED黃疸燈時(shí)，將基板上LED與出光面的距離設(shè)置為60 mm，對(duì)各單色LED采用矩形排布方式，且設(shè)置距高比小于1，以使各單色LED陣列在出光面上具有高均勻度的照度分布。鑒于在同樣距高比和照度均勻度下，若排布的LED數(shù)量更多，照度分布的均勻區(qū)域會(huì)更大。按照LED數(shù)量從少到多的順序，相繼在基板上排列峰值波長(zhǎng)為445,465,495,475 nm的單色LED，使ID1、ID2、ID4和ID3在出光面上具有近似同樣大小的均勻照度分布范圍。

本文4種單色LED在同一基板上的排布方式如圖3所示。其中，A、B、C和D分別代表峰值波長(zhǎng)為495,475,465,445 nm的單色LED，相對(duì)應(yīng)的排布方式為Array A、Array B、Array C和Array D。Array A共有5行10列，其橫向間距和縱向間距分別為22 mm和15 mm；Array B共有8行11列，其橫向間距20 mm，而縱向間距分別為5 mm和25 mm；Array C共有2行9列構(gòu)成，其橫向間距和縱向間距分別為25 mm和40 mm；Array D共有2行6列，其橫向間距和縱向間距分別為40 mm和50 mm。

圖2 直下式LED黃疸燈出光面上的平面光譜分布均勻設(shè)計(jì)思路示意圖

Fig.2 Design scheme diagram of uniform planar spectral distribution on the out-lighting surface of direct-lit LED jaundice phototherapy lamps

圖3 4種單色LED在同一基板上的排布

4 直下式LED黃疸燈的制作與測(cè)試

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)YY 0669-2008《醫(yī)用電氣設(shè)備.第2部分：嬰兒光治療設(shè)備安全專用要求》[17]，將接收面尺寸設(shè)置為600 mm×300 mm，其中接收面的照度均勻度G須大于40%，且按最小照度值Emin和最大照度值Emax的比值計(jì)算。鑒于接收面上每個(gè)照度測(cè)量點(diǎn)的間距不超過0.1 m，將接收面等劃分為32個(gè)正方形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為75 mm×75 mm，并對(duì)每個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行標(biāo)號(hào)，如圖4所示。本文通過測(cè)量接收面上各網(wǎng)格的照度數(shù)據(jù)和光譜數(shù)據(jù)，來計(jì)算相對(duì)應(yīng)的照度均勻度和平面光譜分布均勻度。另外，本文將直下式LED黃疸燈的邊框尺寸設(shè)置為250 mm×130 mm×60 mm，出光面與接收面的距離設(shè)置為410 mm。

圖4 網(wǎng)格劃分后的接收面

4.1 直下式LED黃疸燈的仿真實(shí)驗(yàn)

本文在出光面上放置棱鏡膜BEF(Brightness enhancement film)[18]，以使直下式LED黃疸燈分散的輻射光朝著接收面的方向聚集。圖5所示為出光面上放置棱鏡膜的直下式LED黃疸燈簡(jiǎn)易模型圖，將兩張棱鏡膜的光滑面緊貼，并將兩棱鏡面分別對(duì)準(zhǔn)LED光源方向和接收面方向，且使棱鏡取向都沿著邊框的短邊方向。

圖5 出光面上放置棱鏡膜的直下式LED黃疸燈簡(jiǎn)易模型圖

Fig.5 Simple model diagram of direct-lit LED jaundice phototherapy lamps placing brightness enhancement film on the out-lighting surface

本文選用一款LightTools文件庫里型號(hào)為3M Vikuiti tm BEFIII T 90_50的棱鏡膜進(jìn)行仿真。圖6所示為仿真模型示意圖，采用兩個(gè)直下式LED黃疸燈對(duì)接收面共同照射，且兩燈以450 mm的中心間距沿黃疸燈邊框短邊的方向并列放置。另外，仿真時(shí)采用2835 LED光源文件(.ray)并按圖3所示排布，且導(dǎo)入相應(yīng)4種單色LED的光譜數(shù)據(jù)以及光通量。在接收面的位置上，設(shè)置了一個(gè)可獲取照度數(shù)據(jù)的大尺寸表面接收器和獲取光譜數(shù)據(jù)的32個(gè)小表面接收器。

圖6 仿真模型示意圖

仿真后接收面上的照度分布如圖7所示。截取接收面中間600 mm×300 mm區(qū)域內(nèi)的照度數(shù)據(jù)，計(jì)算出的照度均勻度為75.30%，平均照度值為1 220.40 lx。提取32個(gè)小表面接收器上的光譜數(shù)據(jù)，以其中一個(gè)接收器的光譜數(shù)據(jù)作為參考光譜(平面光譜分布均勻度為Pref=1)，計(jì)算其他31個(gè)網(wǎng)格的平面光譜分布均勻度，其中最低值為Pmin=0.990 5。圖8所示為Pref=1和Pmin=0.990 5的相對(duì)光譜分布，從圖中可知，接收面上具有很好的平面光譜分布均勻性。

圖7 仿真后接收面上的照度分布圖

Fig.7 Illumination distribution on the receiving surface after simulation

圖8 Pref=1和Pmin=0.990 5的相對(duì)光譜分布圖

Fig.8 Relative spectral distribution ofPref=1 andPmin=0.990 5

4.2 直下式LED黃疸燈的實(shí)物制作與測(cè)試

根據(jù)前文仿真結(jié)果，本文制作了出光面上放置棱鏡膜的直下式LED黃疸燈樣品，即樣品1，其實(shí)物如圖9(a)所示。另外，為了驗(yàn)證分析棱鏡膜與普通擴(kuò)散板在出光效果上的差異，制作了出光面上放置擴(kuò)散板的直下式LED黃疸燈樣品，即樣品2，其實(shí)物如圖9(b)所示。其中，樣品1所用市面上棱鏡膜的厚度為150 μm，樣品2采用市面上普通LED面板燈常用的雙面磨砂乳白擴(kuò)散板，厚度為1 mm。

圖10所示為本文制作的直下式LED黃疸燈樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，先跟據(jù)圖3所示的LED排布方式，制作出相應(yīng)的鋁基板并焊上相應(yīng)的單色LED芯片，再將背面貼有導(dǎo)熱硅膠墊的鋁基板固定在邊框的內(nèi)底面。

圖9 直下式LED黃疸燈實(shí)物圖。(a)樣品1實(shí)物圖；(b)樣品2實(shí)物圖。

Fig.9 Actual direct-lit LED jaundice phototherapy lamp samples. (a) Sample 1. (b) Sample 2.

圖10 直下式LED黃疸燈樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

Fig.10 Internal structure of the actual direct-lit LED jaundice phototherapy lamp samples

圖11 直下式LED黃疸燈的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)圖

Fig.11 Experimental platform of the actual direct-lit LED jaundice phototherapy lamp samples

本文分別對(duì)樣品1和樣品2在接收面上的照度數(shù)據(jù)和光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其測(cè)試平臺(tái)如圖11所示。首先，根據(jù)圖6仿真模型示意圖，將兩個(gè)直下式LED黃疸燈(兩個(gè)樣品1或兩個(gè)樣品2)并列放置在平坦的實(shí)驗(yàn)桌上。接著，將圖4所示網(wǎng)格劃分后的接收面以實(shí)際尺寸打印在一張A1白紙上，并張貼在距離兩燈440 mm的豎直平面處以充當(dāng)接收面。然后，在暗環(huán)境條件下，采用厚度為30 mm的SPIC-200B彩色照度計(jì)對(duì)32個(gè)小矩形網(wǎng)格的照度數(shù)據(jù)和光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中，將彩色照度計(jì)背部緊貼在白紙上，并使感應(yīng)探頭位于各個(gè)小矩形網(wǎng)格的幾何中心處。

樣品1和樣品2在接收面上的光斑效果分別如圖12(a)、(b)所示，與出光面放置擴(kuò)散膜的直下式LED黃疸燈相比，出光面上放置棱鏡膜的直下式LED黃疸燈的光斑能量較為集中。對(duì)接收面上的照度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算后，可獲得樣品1和樣品2分別在接收面上的最大照度值Emax、最小照度值Emin、平均照度值Eave和照度均勻度G等參數(shù)，如表2所示。

圖12 直下式LED黃疸燈樣品在接收面上的光斑效果圖。(a)樣品1在接收面上的光斑效果圖；(b)樣品2在接收面上的光斑效果圖。

Fig.12 Light spot effect on the receiving surface of the actual direct-lit LED jaundice phototherapy lamp samples. (a) Light spot effect on the receiving surface of sample 1. (b) Light spot effect on the receiving surface of sample 2.

表2接收面上的照度參數(shù)

Tab.2 Illuminance parameters sheet on the receiving surface

TypeMaximum illuminance Emax/lxMinimum illuminationEmin/lxAverage illuminationEave/lxIllumination uniformity G(Emin/Emax)Sample 11 288.14956.321 143.740.742 4Sample 2855.17690.19786.520.807 1

從表2可知，樣品1在接收面上的平均照度值為1 143.74 lx，照度均勻度值G為0.742 4；樣品2在接收面上的平均照度值為786.52 lx，照度均勻度值G為0.807 1。與出光面上放置擴(kuò)散板的直下式LED黃疸燈相比，在600 mm×300 mm的接收面上，出光面上放置棱鏡膜的直下式LED黃疸燈具有更高的平均照度值，能將光源分散的輻射光能量聚集到接收面的方向，而照度均勻度會(huì)相對(duì)較差一些，但都遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的40%的照度均勻度閾值。

表3 接收面上32個(gè)小矩形網(wǎng)格的平面光譜分布均勻度

圖13 接收面上的光譜數(shù)據(jù)曲線圖。(a)樣品1在網(wǎng)格Q16的光譜曲線圖；(b)樣品1在網(wǎng)格Q5的光譜曲線圖。

Fig.13 Spectrum curve on the receiving surface. (a) Spectrum curve of sample 1 on the Q16 grids. (b) Spectrum curve of sample 1 on the Q5 grids.

對(duì)接收面上32個(gè)小矩形網(wǎng)格的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算后，可獲得樣品1和樣品2分別在接收面上各個(gè)小矩形網(wǎng)格的平面光譜分布均勻度值，如表3所示。其中，本文以接收面上小矩形網(wǎng)格Q16上的光譜作為參考光譜，再根據(jù)公式(3)計(jì)算出接收面上各網(wǎng)格的平面光譜分布均勻度值。另外，本文將在接收面中Qi(i=1,2,3,…,32)網(wǎng)格的平面光譜分布均勻度記為PQi。

從表3可以看出，與接收面上其他網(wǎng)格相比，樣品1在網(wǎng)格Q5的平面光譜分布均勻度值最低，其值為0.999 519；樣品2在網(wǎng)格Q19的平面光譜分布均勻度值最低，其值為0.999 907。在600 mm×300 mm的接收面上，放置擴(kuò)散板的直下式LED黃疸燈具有更高的平面光譜分布均勻度。但是無論出光面上放置的是棱鏡膜還是擴(kuò)散板，接收面上都具有超過99.9%的平面光譜分布均勻度值，具有非常均勻的平面光譜分布。圖13(a)、(b)所示為樣品1分別在網(wǎng)格Q16和網(wǎng)格Q5的光譜數(shù)據(jù)曲線圖，從圖中可直觀感受接收面上各網(wǎng)格光譜的一致性。

5 結(jié) 論

本文對(duì)不同數(shù)量的4種單色LED在同一基板上的排布方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，制作出一款可在接收面上實(shí)現(xiàn)平面光譜分布均勻的直下式LED黃疸燈。按照LED數(shù)量從少到多的順序，本文相繼在基板上排列峰值波長(zhǎng)分別為445,465,495,475 nm的單色LED，使這4種單色LED在出光面上具有大小相近且照度分布均勻的光斑，進(jìn)而使出光面上實(shí)現(xiàn)平面光譜分布均勻。再經(jīng)出光面處的放置物對(duì)輻射光進(jìn)一步充分散射混合后，最終在接收面上實(shí)現(xiàn)平面光譜分布均勻。

本文制作了兩款直下式LED黃疸燈樣品，即出光面上放置棱鏡膜的直下式LED黃疸燈(樣品1)和出光面上放置擴(kuò)散板的直下式LED黃疸燈(樣品2)。在距離黃疸燈410 mm處的600 mm×300 mm接收面上，分別對(duì)樣品1和樣品2的平面光譜分布均勻度和照度均勻度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量和計(jì)算。實(shí)驗(yàn)研究表明：樣品1和樣品2在接收面上都具有超過0.999的平面光譜分布均勻度值，擁有非常均勻的平面光譜分布；樣品1和樣品2在接收面上的照度均勻度值分別為0.742 4和0.807 1，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的40%的照度均勻度閾值；樣品1和樣品2在接收面上的平均照度值分別為1 143.74 lx和786.52 lx，與樣品2相比，樣品1可將更多的光輻射能量集中在600 mm×300 mm的接收面內(nèi)。本文研究制作的直下式LED黃疸燈，在接收面上可實(shí)現(xiàn)高均勻度的平面光譜分布和照度分布，能充分發(fā)揮該黃疸燈對(duì)新生兒黃疸病的治療效果，具有一定的研究意義和參考價(jià)值。