野战led手术无影灯的光路设计

《野战led手术无影灯的光路设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、野战LED手术无影灯的光路设计野战LED手术无影灯的光路设计   1研究背景   采用传统灯泡作为光源的野战手术无影灯，普遍存在光电转换效率较低，能耗较大等缺点。此类光源光线中含有大量的红外线辐射，长时间照射易导致手术区温升变高，甚至灼伤人体组织；部分无影灯通过采用在光源前端加装特殊玻璃镀膜层的方法，可滤除一部分红外线，因此也加大了无影灯灯头的成本及重量。本研究以多颗低热辐射的大功率LED（发光二极管）为点光源，通过4个层次的光学聚焦设计，将整个LED阵列的出射光线汇聚于手术照明区域内，可以较好地解决传统手术灯手术区温升过高和灯头过重等问题，本文具体讨论LED手术无影灯的光

2、路设计。   2设计思路  （1）选用28颗大功率LED为点光源，LED选用具有发光效率高、显色效果好、使用寿命长、故障率低、抗冲击力强的产品。  （2）根据《YY0627-2008医用电气设备第2部分手术无影灯和诊断用照明灯安全专用要求》，确定所需中心照度的大小、LED的数量等参数。  （3）对整个LED阵列进行4个层次的配光设计，使多束光束汇聚于手术照野中心位置。   3系统设计   3.1光源的选择LED是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出各种颜色的光。LED的发光原理符合量子

3、理论，满足公式：ν=ΔE/h（h为普朗克常数），也就是说，通过选用合适的材料，可使LED中载流子复合后放出定量过剩的能量，从而使LED的发光光谱具有很好的选择性，做到所发光线几乎不含红外线，因此，被照射区几乎不产生温升。其基本构架是一块电致发光的半导体材料，置于一个带有引线的基架上，四周用环氧树脂密封，保护内部芯线，抗震性能好，能够适应恶劣的野外环境。将LED与传统光源性能进行对比结果，见表1。与其他发光器件相比，LED还具有以下优点：   （1）发光效率高。其发光不同于白炽灯钨丝发光的原理，而是采用电场发光，直接将电能转化为光能，光电转换效率高于普通白炽灯。   （2）寿

4、命长。LED的使用寿命长达1×105h，是传统优质卤素光源的50倍。   （3）环保。LED不存在诸如水银、铅等环境污染问题，废弃物易回收，环保安全，是绿色环保产品。   3.2LED数量的设计设计目标：选用多颗大功率LED为点光源从多个角度投射到1m处的照明区域内，光斑中心照度满足相关行业标准，并综合考虑LED的系统效率。根据《YY0627-2008医用电气设备第2部分手术无影灯和诊断用照明灯安全专用要求》，在照明光束未被遮挡的情况下，距设备光发射外表面下1m处光斑中心照度≥4×104Lux，显色指数≥85，色温3000~6700K。临床实际使用的照度一般以4×104~1

5、×105Lux为宜，过亮会影响视力[4]。本设计中光斑中心照度为6×104Lux，光斑直径取20cm，则目标光通量Φ=E·S=6×104×πr2=6104×3.14×0.01=1884Lm（式中E为中心照度，S为光斑直径所对应的面积）[5]。   实际所需光通量的确定需考虑到以下2个因素：  （1）光学系统效率。因一次光学设计后的LED芯片的发光角度较大，无法达到聚焦效果，故需在LED芯片前加装二次光学透镜以达到聚焦的目的。为达到更好的聚焦，本次设计在LED芯片前端加装3块光学透镜，将光线汇聚在≤5°的发光角内。每片透镜的透光率为99%，故本设计的光学系统发光效率为99%×

6、99%×99%≈97%。  （2）热效率。LED的光通量输出随着结温的上升而降低。结温保持在80℃或以下时LED可在额定为50000h后提供平均70%的流明维持率。当最高合适结温为80℃时对应的最小相对光通量为85%。故本设计的热效率为85%。   综合以上2个因素，则实际所需总的光通量：Φ总=Φ目标/（光学系统效率×热效率）=1884/(97%×85%)=2285Lm本设计选用特制的LED，单颗最大功率可达3W，额定工作条件（电压3V、电流350mA）下有效光通量：Φ单（单颗LED有效光通量）为90~100Lm。当取Φ单=90Lm，则所需LED的数量为：n=Φ总/Φ单=2

7、285/90=26颗。考虑到热损耗，实际设计中采用28颗LED，分为并联的4个模块，每个模由7颗串联的LED外加1块恒流驱动板组成。   3.3LED排布阵列的设计   3.3.1一次配光设计   设计关键：LED的一次配光设计决定LED的光通量、色温、显色指数等。一般情况下，用蓝光激发黄色荧光粉就可产生白光，而且黄色荧光粉的激发效率很高，可以得到较高光效的LED。但是这种形式的LED显色指数较低。为提高显色指数，本设计将高效绿色荧光粉、黄色荧光粉、红色荧光粉按一定比例混合，再用蓝光LED芯片激发混合荧光粉，这样就