野战LED手术无影灯的光路设计

周文光，魏培德，沙益夫，孔悦

解放军第174医院，福建 厦门 361003

野战LED手术无影灯的光路设计

周文光，魏培德，沙益夫，孔悦

解放军第174医院，福建 厦门 361003

目的 设计一种具有优秀光学参数的手术无影灯。方法 以多颗大功率LED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。结果 经测试，本无影灯各光学参数均优且超过行业标准的要求，具有发光效率高、无影效果好、照射区温升低、使用寿命长的优点。结论 本无影灯光线质量好，非常适用于野战手术照明。

手术无影灯；LED；野战；聚焦设计

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[1]。LED的发光原理符合量子理论，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。

表1 LED与传统光源性能进行对比的结果[2]

3.2 LED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》[3]，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4×104～1×105Lux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%×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[6]。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：

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90～100 Lm。当取Φ单=90Lm，则所需LED的数量为：n = Φ总/Φ单= 2285/90=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，每个模块由7颗串联的LED外加1块恒流驱动板组成。

3.3 LED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，这样就得到显色指数较高的LED[7-9]。

3.3.2 二次配光设计

设计关键：LED的二次配光设计决定LED的出射光线以一较小的空间角汇聚于照明区域内，使得整个系统的出光效果、光强分布达到期望的要求。

普通功率型LED发光半值角一般在120°，由于透镜口径的限制，大角度的光无法校正，无法从透镜射出，造成了光的损失[10]。采用特殊设计的聚光型LED半值角只有50～60°，这样保证LED所发出的光大部分直接照射到透镜上，再由透镜校正后射出[11-12]。本设计采用聚光型LED，见图1。

图1 功率型LED出光图

在使用LED发光器件时，整个系统的出光效果、光强、色温的分布状况也必须进行设计，把器件发出的光线集中到期望的照明区域内，从而让整个LED照明系统能够满足设计的需要，此为二次配光设计。本次通过在LED前端加装透镜组进行二次配光设计，使其发出的光线集中在空间角≤5°的照明区域内，见图2。

图2 二次配光示意图

3.3.3 三次配光设计

设计关键：将多颗LED灯珠均匀排布于圆弧形灯盘上，使多束光线叠加于照明区域内。单灯头光路示意图，见图3；单灯头实物图，见图4。

图3中，ABCDEFO为7颗LED灯珠，每颗LED均以≤5°的空间角出射光线，将7颗LED灯珠均匀排布于圆弧形灯盘上，在灯头垂直方向上形成一段80cm左右的光柱，在灯头高度改变的同时光柱也随之升降，实现在不同高度上均可获得理想的光斑。由于LED是一种非相干光源，因此，7个LED对平面上某一区域的光照度为其单个的叠加，形成以HG为直径的光斑区域。

图3 单灯头光路示意图

图4 单灯头实物图

3.3.4 四次配光设计

设计关键：将4个小灯头与手术照野轴线以一定倾角呈对称排布，通过转动手动聚焦机构使4个小灯头在不同高度均可聚焦出手术光斑，并形成具有一定深度的光柱。

4个小灯头与手术照野轴线以一定倾角呈对称排布，组成整个无影灯灯头，提高整个照明区域的光照度强度和均匀性，同时使灯头下空气流通无死角，满足手术层流净化要求，见图5～6。

通过转动手动聚焦机构使连接杆1～4沿轴线上下摆动，进而带动4组LED的小灯头同步产生向心摆动，同步是指每个小灯头的聚焦中线在任意时刻均同时指向整台无影灯的垂直中线上的某一点，向心摆动是指改变每组灯头垂直中线相对于手术照野轴线的夹角，即可实现在不同的投照距离上，多束光束均可汇聚于手术照野中心位置的目的。4组灯头会聚于以J1K1为直径的光斑区域内，逆时针旋转手动聚焦机构，连接杆1～4沿轴线向上摆动，带动4组灯头同步向上摆动，即每组灯头垂直中线相对于手术照野轴线的夹角变大，则会聚出以J3K3为直径的圆形光斑。同理，若顺时针旋转手动聚焦机构，光斑将向靠近灯头的方向移动。光斑直径J1K1为20cm。

图5 整灯光路示意图

图6 整灯实物图

多束光线从多个角度会聚叠加于灯头垂直中线空间内，形成以J1K1K2J2为顶点的圆柱型光柱，在光柱范围内均可提供手术所需的必要光照度，大小为中心照度的20%，本设计中约为12400 Lx，图中K1K2=870mm。

4 系统测试

依据《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》中的检测方法，对本无影灯各光学参数进行测试。检测机构为：厦门市半导体照明检测认证中心（厦门大学分部），检测仪器为：IS Spectro320e光谱仪、Ocean Optics HR4000光纤光谱仪。

检测结果：中心照度62096Lx；色温5316K；显色指数90；光柱深度870mm；总辐照度206.5 W/m2。各参数均优且超出行业标准要求。

5 小结

LED作为新一代固体发光器件，具有使用寿命长、节能环保等优点。但目前LED由于发光效率不是太高，以及由于光效不高而引起的如散热、单颗光通量太小、显色指数等问题也制约了其在照明领域的应用。但LED发展很快，已有报道实验室样品光效可达500Lm/W，相信在不久的将来，技术上可实现量产光效达500Lm/W甚至更高的白光LED。届时无影灯的光照度可提升至更高的一个层次，散热问题也可得到进一步解决。

[1] 朱根涕,刘敏娟.新型LED手术无影灯的光照度特性的研究[J].中国医疗器械杂志,2009,33(3):183-187.

[2] 熊陆平,郭良,马飞,等.高光通量LED在野战外科照明系统中的应用[J].医疗卫生装备,2009,30(7):102-103.

[3] 国家食品药品监督管理局.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[S].北京:中国标准出版社,2008.

[4] 胡军智,杜生明,徐新民,等.一种新型野外太阳能LED无影灯的设计与研制[J].中国医疗设备,2010,25(9):27-29.

[5] 闫德立,高金环,高兆丰,等.高亮发光二极管寿命评价[J].半导体技术,2009,34(10):978-980.

[6] 王声学,吴广宁,蒋伟,等.LED原理及其照明应用[J].灯与照明,2006,30(4):32-35.

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[12] Bin-Juine Huang,Po-Chine Hsu,Min-Sheng Wu,et al[M/OL].Study of system dynamics model and control of a highpower LED lighting luminaire[2007-01-08].http://www.elsevier.com/locate/energy32/.

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

南京军区2007年度科技创新项目资助（07M062）。

专利：国家专利（ZL200620114526.3）。

本文作者：周文光，主任技师，主要从事医疗设备的质量控制、使用管理等研究工作。

孔悦 ，护理部主任，副主任护师。

作者邮箱：zhouwgsun@126.com