基于平面LED 陣列的艦用手術(shù)無影燈光學(xué)設(shè)計(jì)研究

齊樹波，喻錫成，駱星九，劉 勇，呂傳祿

（海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433）

0 引言

目前，因海軍艦艇手術(shù)室空間狹小、凈層高小于2.1 m、船體晃動(dòng)嚴(yán)重等不利因素[1]，通用手術(shù)無影燈必須進(jìn)行復(fù)雜的艦用化改造后才能上艦，且使用管理不便[2]，在大型水面艦艇中推廣應(yīng)用難。小型艦艇手術(shù)室照明采用7 個(gè)分散于天花板的海軍專用艦艇手術(shù)燈。術(shù)前，通過手動(dòng)調(diào)整每個(gè)艦用手術(shù)燈的旋轉(zhuǎn)、俯仰角度實(shí)現(xiàn)聚焦。其光源為1 只24 W 醫(yī)用鹵素?zé)簦鈱W(xué)元件為反光碗，照度和無影效率很差。近年來，冷光源LED 具有電光轉(zhuǎn)換效率高、壽命長、尺寸小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足特定照明需求[3]，在手術(shù)無影照明領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。為提升海軍小型艦艇手術(shù)室照明效果，本文設(shè)計(jì)一種基于平面LED陣列的艦用手術(shù)無影燈。

1 可行性分析

1.1 手術(shù)照明基本要求

手術(shù)照明系統(tǒng)能夠提供符合照度、顯色指數(shù)、光溫、電氣等要求的無影照明[7]，使醫(yī)務(wù)人員能夠清晰識(shí)別手術(shù)部位，同時(shí)，照明區(qū)域能夠覆蓋到整個(gè)手術(shù)床。通用手術(shù)無影燈基于多點(diǎn)光源效應(yīng)，由數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)光源組成，形成滿足照度分布、直徑為20～30 cm 的光斑，通過結(jié)構(gòu)復(fù)雜、具有多個(gè)自由度的機(jī)械臂來實(shí)現(xiàn)光斑移動(dòng)[8]。其要求手術(shù)室凈層高大于2.6 m，艦艇環(huán)境不能滿足。同時(shí)，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)抗晃動(dòng)能力差，艦艇環(huán)境適應(yīng)能力差。

1.2 非成像光學(xué)理論

如果移除機(jī)械臂，手術(shù)照明系統(tǒng)必須能夠提供一個(gè)面積與手術(shù)床面積相當(dāng)、符合照度標(biāo)準(zhǔn)的光斑。根據(jù)非成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的光通量相等理論，實(shí)現(xiàn)上述照明要求需要的光源數(shù)量n 可由公式（1）確定：

式中，Φ 為手術(shù)床面總光通量（lm）；E 為照度（lx），行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在 40～160 klx[7]；S 為手術(shù)床面積（m2），約為1.2 m2；P 為光源功率（W）；η 為發(fā)光效率（lm/W）；γ 為聚光效率（%）。

1.3 理論分析

若采用艦用手術(shù)燈的鹵素光源，則P 為24 W，η約為 20 lm/W，γ 約為 30%。若 E 為 40 klx，則 n 為333 個(gè)，功耗為8 kW。單個(gè)光源的光學(xué)元件尺寸為15 cm×15 cm，則光學(xué)系統(tǒng)的面積為7.5 m2。在鹵素光源時(shí)代，艦艇環(huán)境不能滿足該方案的功耗和空間需求。

大功率白光LED 具有很高的發(fā)光效率（80～150 lm/W）、很小的外形尺寸（毫米級(jí)）[9]。其小尺寸光源的特性便于開展二次光學(xué)設(shè)計(jì)，且聚光效率較高，為75%～90%[10]。對(duì)于 LED 光學(xué)系統(tǒng)，假定 P 為 2 W，η 約為 100 lm/W，γ 約為 80%。若 E 為 40 klx，則 n為300 個(gè)，功耗為600 W。若光學(xué)系統(tǒng)的面積與手術(shù)床面積相當(dāng)，則單個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的面積小于40 cm2。因此，設(shè)計(jì)一種基于平面LED 陣列的艦用手術(shù)無影燈是可行的方案。

2 艦用手術(shù)無影燈的光學(xué)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過程中，假定手術(shù)床尺寸為2 m×0.6 m，以手術(shù)床中心為原點(diǎn)（0，0），手術(shù)床寬度方向?yàn)閤 軸，長度方向?yàn)閥 軸，垂直手術(shù)床平面方向?yàn)閦 軸。艦用手術(shù)無影燈平面陣列的行數(shù)用n 表示，單行LED 的數(shù)量用k 表示。為提高光斑中心照度和無影率，單行LED 可以繞x 軸旋轉(zhuǎn)。LED 的二次光學(xué)設(shè)計(jì)、陣列的行間距、列間距、單行偏轉(zhuǎn)角度取值范圍直接決定了無影燈的性能。為此，采用LightTools 軟件開展光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真，確定光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)。

2.1 LED 光源選擇

選取德國歐司朗公司的GW CSSRM2.CM LED燈珠[11]為照明光源，發(fā)光效率為110 lm/W，功率為2 W，尺寸為 3 mm×3 mm×2 mm，色溫和顯色指數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[8]。光線數(shù)據(jù)文件從公司官網(wǎng)下載，有效光通量為204 lm，單燈模擬中單LED 光線數(shù)量為100 萬條；多LED 光源模擬中單LED 光線數(shù)量為20萬條。

2.2 單個(gè)LED 透鏡設(shè)計(jì)

2.2.1 光斑設(shè)計(jì)目標(biāo)

通用無影燈通過為每個(gè)LED 設(shè)置特定傾斜角度以及調(diào)整由多個(gè)光源組成的小燈頭，使每個(gè)LED光源的光斑中心聚集到相同位置。為簡化燈頭機(jī)械構(gòu)件、降低LED 燈頭高度，提出的艦用手術(shù)無影燈設(shè)計(jì)方案中，行內(nèi)LED 單元的光斑中心在x 軸上離散分布，不同行的光斑可以繞x 軸偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)聚集。傳統(tǒng)的單個(gè)LED 光學(xué)設(shè)計(jì)目標(biāo)是形成一個(gè)照度分布均勻、直徑約為20 cm 的圓形光斑。但是在提出的艦用手術(shù)無影燈結(jié)構(gòu)中，由于同一行內(nèi)的LED 只有繞x 軸1 個(gè)自由度，光斑中心不能在x 軸向聚焦，為達(dá)到x 軸無影照射和增加照度的目的，不同LED 的光斑在x 軸上盡量重疊。因此，單個(gè)LED 光學(xué)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是增加x 軸方向的光斑直徑，降低y 軸方向的光斑直徑。為此，結(jié)合光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中的LED 透鏡設(shè)計(jì)模塊和試錯(cuò)設(shè)計(jì)法，提出了圓形光斑和橢圓形光斑的2 種透鏡結(jié)構(gòu)。

2.2.2 全內(nèi)反射透鏡設(shè)計(jì)

全內(nèi)反射透鏡具備折射透鏡和反射杯的優(yōu)點(diǎn)，在手術(shù)無影燈領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8，10]。采用光學(xué)軟件內(nèi)置的全內(nèi)反射透鏡設(shè)計(jì)工具，按照文獻(xiàn)[10]的優(yōu)化策略，通過調(diào)整透鏡尺寸、反射曲面、透射曲面系數(shù)等透鏡參數(shù)，經(jīng)綜合評(píng)估距離透鏡1 m 處接收平面的光通量、照度均勻性、光斑大小，設(shè)計(jì)分別形成圓形光斑和橢圓形光斑的全內(nèi)反射透鏡。

圖1 為全內(nèi)反射透鏡結(jié)構(gòu)以及三維模型。2 種透鏡的 r、h1、h2和 d 參數(shù)相同，分別為 3.5、16、4 和1 mm。此時(shí)，透鏡的外形尺寸近似相同，通過設(shè)計(jì)透鏡透射部分和反射部分發(fā)散角參數(shù)來實(shí)現(xiàn)圓形光束聚焦和橢圓光束聚焦。圓形光斑透鏡折射部分發(fā)散角參數(shù)為（4.5，-4.6），反射部分為（-10.1，10.1）。橢圓光斑透鏡折射部分水平、垂直方向的發(fā)散角參數(shù)分別為（0，8）和（-1，0），反射部分分別為（0，7）和（-2.6，0）。

2.2.3 光斑分布

圖1 全內(nèi)反射透鏡

圖2 單個(gè)透鏡照度分布圖

2 種透鏡的光斑照度分布如圖2 所示，圖中邊緣最暗部分的照度為最大照度的10%。圓形光斑的最大照度為4.2 klx，直徑為389 mm，直徑為400 mm的圓形區(qū)域收集的光通量為168 lm，聚光效率為82.3%。橢圓形光斑的最大照度為4.3 klx，長軸為441 mm，短軸為 272 mm，450 mm×280 mm 的矩形區(qū)域收集的光通量為172 lm，聚光效率為84.3%。

2.3 單行LED 設(shè)計(jì)

單行LED 設(shè)計(jì)主要確定在長度固定的條件下相鄰LED 燈間距，即單行LED 數(shù)量以及單行LED最大偏轉(zhuǎn)角度。

2.3.1 單行LED 數(shù)量分析

單行LED 陣列的光斑照度與相鄰2 個(gè)LED 光源的間距密切相關(guān)。2 種結(jié)構(gòu)的單行陣列的光斑照度分布與相鄰LED 光源間距的關(guān)系如圖3 所示。限定單行長度為 600 mm，LED 光源以中心（0，0）對(duì)稱分布。間距 50、60、80、100、150 mm 下 LED 的數(shù)量 k分別為 13、11、9、7、5。從圖中可以得出，中心照度隨著LED 數(shù)量的增加近似線性增加。光斑分布呈對(duì)稱特點(diǎn)，邊緣照度與中心照度的比值隨著LED 數(shù)量的增加而增加。橢圓光斑結(jié)構(gòu)中間距為50 mm 時(shí)，距離中心300 mm 處的照度為14.7 klx，與中心照度的比值為0.58；間距為150 mm 時(shí)，比值為0.70。在相同條件下，橢圓光斑結(jié)構(gòu)的中心照度約為圓形光斑結(jié)構(gòu)的1.5 倍。

圖3 單行陣列的光斑照度與相鄰LED 光源間距的關(guān)系

2.3.2 單行偏轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)

通過旋轉(zhuǎn)單行LED 陣列，實(shí)現(xiàn)光線聚集，增強(qiáng)照度。偏轉(zhuǎn)計(jì)算模型如圖4 所示。根據(jù)立體幾何關(guān)系，可以得出f=htan ɑ。為了研究單行陣列無影效率與偏轉(zhuǎn)角度ɑ 的關(guān)系，選取行內(nèi)相鄰LED 的間距為100 mm。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]，無影率測(cè)量過程中，擋板位于設(shè)備的正下方400 mm 處。此時(shí)，對(duì)于不同的行陣列，擋板并不是位于其正下方，而是位于其光斑聚集點(diǎn)的正上方。因此，在單行LED 陣列無影率測(cè)試模擬過程中，將擋板置于聚集點(diǎn)正上方600 mm。

圖4 單行偏轉(zhuǎn)計(jì)算模型

圖5 無影率、中心照度與縱向偏移f 的關(guān)系

2 種結(jié)構(gòu)的單行陣列的無影效果、中心照度與縱向偏移f 的關(guān)系如圖5 所示。2 種透鏡的中心照度和無影率隨f 變化的趨勢(shì)基本相同。中心照度隨著f 的增加而緩慢降低，當(dāng)f達(dá)到500 mm 時(shí)，中心照度下降到80%左右。單遮板無影率隨著f 增加而增加，當(dāng)f 大于200 mm 時(shí)，無影率幾乎達(dá)到100%。雙遮板無影率隨著f 的變化情況復(fù)雜，當(dāng)f 增加到400 mm 時(shí)，無影率幾乎達(dá)到100%。深腔無影率隨著f 增加而降低，當(dāng)f 大于300 mm 時(shí)，無影率急劇下降，在400 mm 時(shí)降到0。遮板與深腔的無影率隨f 變化的趨勢(shì)受深腔影響較大。當(dāng)f 大于400 mm，即ɑ 大于21.8°時(shí)，單行LED 陣列對(duì)深腔條件下的照明幾乎沒有貢獻(xiàn)，不受遮板的影響。在進(jìn)行深腔手術(shù)過程中，調(diào)整的行陣列應(yīng)該限定于此范圍。因此，單行LED 陣列偏移的最大角度限制在30°。

2.4 行間距設(shè)計(jì)

為研究不同的行間距對(duì)中心照度與無影性能的影響，取無影燈行數(shù)n=7，單行LED 數(shù)量k=7，行間距變化范圍從100 mm 至150 mm。結(jié)果顯示，2 種透鏡的中心照度與無影率隨行間距變化趨勢(shì)相同，而中心照度變化很小。隨著行間距的增加，單遮板、雙遮板無影率增加，深腔及深腔疊加遮板的無影率降低。

2.5 陣列布局

艦用手術(shù)無影燈的二維布局采用如圖6 所示的交錯(cuò)布局方式。因此，艦用手術(shù)無影燈的光源采用功率為2 W 的LED 燈珠，二次光學(xué)元件為全內(nèi)反射透鏡。在手術(shù)床長度方向，行間距為120 mm，假定手術(shù)床長度為2 m，那么陣列行數(shù)n 為19。在手術(shù)床寬度方向，行內(nèi)LED 間距為80 mm，行陣列錯(cuò)位40 mm，因此單行LED 數(shù)量k 為8 或9。艦用手術(shù)無影燈中LED 光源數(shù)量為161 個(gè)，功率為322 W。

根據(jù)2.3.2 章節(jié)的模擬結(jié)果，當(dāng)f 大于400 mm時(shí)，該行LED 陣列對(duì)深腔照明幾乎沒有貢獻(xiàn)。因此，在實(shí)際使用過程中，通過偏轉(zhuǎn)手術(shù)部位前后400 mm的LED 行陣列形成手術(shù)照明光斑，其余LED 行陣列處于不工作狀態(tài)。一般需要調(diào)整的LED 行陣列為7行，LED 光源數(shù)量為59 個(gè)，功率為118 W。

3 艦用手術(shù)無影燈的光學(xué)性能分析

根據(jù)公式（1），選取行、列間距均為60 mm 的陣列作為比較基準(zhǔn)，以形成圖 2（a）所示光斑分布的全內(nèi)反射透鏡作為LED光源的光學(xué)透鏡，單個(gè)LED 燈不能夠移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。手術(shù)床長為2 m、寬為0.6 m，為了使光斑能夠覆蓋整個(gè)手術(shù)床平面，在基準(zhǔn)中行數(shù) n 取 35，單行 LED 數(shù)量k 取 11，此時(shí) LED 數(shù)量為 385個(gè)，功率為770 W。

圖6 交錯(cuò)布局

雖然提出的艦用手術(shù)無影燈中行數(shù)n 為19，但是實(shí)際使用中僅利用了7 行LED 陣列。為了加快模擬過程，減小模擬中對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的需求，本章節(jié)模擬的艦用手術(shù)無影燈的行陣列為7，以中央LED 為坐標(biāo)原點(diǎn)。單個(gè)LED 光源的透鏡采用2.2 章節(jié)提出的2 種透鏡結(jié)構(gòu)。

3.1 照度分析

圖7（a）給出了3 種光學(xué)系統(tǒng)的光斑照度在x 軸方向上的分布曲線，光斑中心位置為（0，0）。根據(jù)2.3.2章節(jié)中的偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算模型 ɑ=tan-（1f/h），y=0 的行陣列偏轉(zhuǎn)角度為 0，y 分別為±120、±240 和±360 mm的行陣列對(duì)應(yīng)的 f 分別為±120、±240 和±360 mm，因此偏轉(zhuǎn)角度為±6.8°、±13.5°和±19.8°。從圖中可以看出無影燈的光斑分布在x 軸上具有對(duì)稱性。橢圓、圓形光斑光學(xué)系統(tǒng)的光斑中心照度分別為112.4 和73.6 klx，是基準(zhǔn)陣列的 2.1 倍、1.4 倍，中心照度滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。光斑在x 軸方向均勻度較好，2 種光學(xué)系統(tǒng)中位置（300，0）的照度分別是中心照度的62.5%、66.5%。

基準(zhǔn)陣列模擬中，因?yàn)長ED 陣列n 為35，且單行LED 陣列無偏轉(zhuǎn)，理論上基準(zhǔn)陣列中光斑在y 軸上的分布不變，與對(duì)應(yīng)的y=0 的照度值一樣，模擬中也得到了證實(shí)。因此，圖7（b）中給出了橢圓光斑和圓形光斑光學(xué)系統(tǒng)在x 分別為0、100 和200 mm 時(shí)光斑照度在y 軸的分布。2 種系統(tǒng)中不同x 值下，光斑在y 軸方向上照度分布相似。圓形光斑結(jié)構(gòu)中的光斑照度在y 軸方向的分布均勻度要優(yōu)于橢圓光斑。在2 種光學(xué)系統(tǒng)中，x=0 和 x=100 mm 時(shí)的光斑照度曲線幾乎重合；x=200 mm 時(shí)，照度分布曲線與x=0 的相似，最大值下降。x=0時(shí)，橢圓光斑和圓形光斑光學(xué)系統(tǒng)中中心照度下降到50%的半寬分別為61 和 101 mm，下降到10%的半寬分別為154和225 mm，即y 軸方向上的光斑直徑分別為308 和450 mm。

圖7 照度分布曲線

3.2 無影率分析

無影燈的燈頭不能移動(dòng)，因此需要分析不同位置的無影效果。平面陣列布局具有周期特性，為減少模擬時(shí)間，主要選取相鄰LED 之間以及行間的位置，并隨機(jī)選取典型位置，分析其無影率。結(jié)果見表1。2 種光斑結(jié)構(gòu)的無影率幾乎相當(dāng)，分布均勻度較好，遮板和深腔條件下的無影率最低，而且無影率優(yōu)于文獻(xiàn)[10]提出的手術(shù)無影燈。

表1 2 種光斑結(jié)構(gòu)下不同位置的無影效果 單位：%

3.3 光柱深度

通用手術(shù)無影燈的LED 光源不能相對(duì)安裝基座作旋轉(zhuǎn)、平移，所有LED 燈珠在距離設(shè)備1 m 處聚集，此時(shí)中心點(diǎn)照度最大。當(dāng)無影燈距離接收平面大于或小于1 m 時(shí)，中心照度均急劇下降，光斑直徑迅速增加。因此，光柱深度是通用無影燈的一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。在艦用手術(shù)無影燈中，當(dāng)接收平面距離手術(shù)燈平面增大或減小時(shí)，減小或增加艦用手術(shù)無影燈行陣列偏轉(zhuǎn)角度，使光線重新聚集?？紤]到艦艇手術(shù)室層高限制，當(dāng)接收距離增加到1 500 mm 時(shí)，橢圓光斑結(jié)構(gòu)和圓形光斑結(jié)構(gòu)的中心照度分別下降了32.1%和37.3%；接收距離減小到800 mm 時(shí)，中心照度分別增加了16.1%和14.1%。

3.4 功耗管理

實(shí)際操作中使用7 行LED 陣列，最大功耗為118 W。為進(jìn)一步減小工作功耗，可將每行LED 劃分為 3 組，中間 4 個(gè)或 5 個(gè) LED 為 1 組，兩側(cè) 2 個(gè)分別為1 組，設(shè)置單獨(dú)開關(guān)。當(dāng)手術(shù)部位是人體中軸線部位時(shí)，使用中間組LED。最小配置下，LED 數(shù)量為35 個(gè)，功耗為70 W。橢圓形光斑的無影燈模擬結(jié)果顯示，中心照度為103.9 klx，僅下降了7.6%；對(duì)于圓形光斑，中心照度為68.1 klx，下降了7.5%。

3.5 邊緣優(yōu)化

根據(jù)3.1 章節(jié)的模擬結(jié)果，手術(shù)床x 軸方向邊緣位置（300，0）的照度為中心照度的60%，也滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。為提高邊緣照明，同時(shí)考慮到人體軀干、臀部較寬大，可將該部分區(qū)域行陣列中LED 數(shù)量向x正軸和負(fù)軸方向按照?qǐng)D6 規(guī)律各擴(kuò)展1 個(gè)，并將其繞z 軸向手術(shù)床中心偏轉(zhuǎn)。此時(shí)，單行LED 數(shù)量為10 或11 個(gè)。圖8、9 分別給出了邊緣優(yōu)化前后橢圓光斑和圓形光斑光學(xué)系統(tǒng)的二維照度分布，其中擴(kuò)展的LED 向內(nèi)傾斜2°。2 種光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)化后（0，0）照度均不變。橢圓光斑光學(xué)系統(tǒng)中，（300，0）位置的照度為95.1 klx，提高了32.3%，圓形光斑光學(xué)系統(tǒng)中，（300，0）位置的照度為 71.1 klx，提高了49.1%。光斑的最大照度位置發(fā)生了偏移，對(duì)于橢圓和圓形光斑光學(xué)系統(tǒng)，偏移到（187，0）和（250，0）的最大值分別為119.8 和770 klx。

圖8 邊緣優(yōu)化前后橢圓光斑光學(xué)系統(tǒng)二維照度分布（7 行LED 陣列）

圖9 邊緣優(yōu)化前后圓形光斑光學(xué)系統(tǒng)二維照度分布（7 行LED 陳列）

3.6 實(shí)用性

艦用手術(shù)無影燈使用過程中，需偏轉(zhuǎn)5 行或7行LED 陣列實(shí)現(xiàn)光斑聚集，相對(duì)于傳統(tǒng)無影手術(shù)燈，操作復(fù)雜性大。但是與當(dāng)前艦艇手術(shù)燈室照明需要調(diào)整7 個(gè)艦用手術(shù)燈的俯仰角、旋轉(zhuǎn)角相比較，能夠減小操作復(fù)雜性。艦用手術(shù)無影燈中單行LED 陣列的機(jī)構(gòu)僅有一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)自由度，可通過阻尼件實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的艦用手術(shù)無影燈采用光源冗余和行陣列偏轉(zhuǎn)技術(shù)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，適合艦艇環(huán)境使用。在相同條件下，橢圓形光斑的無影燈因具有較高的中心照度，優(yōu)于圓形光斑的無影燈。艦用手術(shù)無影燈由19 行LED 陣列組成，單行 LED 數(shù)量在8 或9，使用7 行LED 陣列可達(dá)到照明要求。本設(shè)計(jì)的主要不足之處是操作過程中需要手動(dòng)調(diào)整每行LED 的偏轉(zhuǎn)角度。如果增加電動(dòng)軌道機(jī)構(gòu)，可以有效減少LED的數(shù)量，但手術(shù)燈的高度也將會(huì)增加。下一步，將開展艦用手術(shù)無影燈的散熱設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)研究，重點(diǎn)關(guān)注艦艇空間狹小、凈層高低、船體晃動(dòng)嚴(yán)重等應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)。