手术灯用调色温显色隔热滤光片的设计

曹轶，赵帅锋，王银河，阴晓俊，王忠连，安伟国

沈阳仪表科学研究院，辽宁 沈阳 110043

0 前言

手术无影灯是手术室中的关键设备之一，其质量和性能对手术质量有直接的影响。手术灯源发射的光经滤光片透射后，由非球面多棱面反射镜反射，在灯盘下80～110cm的手术区形成一个同源光柱，光柱内的手术区具有优异的无影效果和亮度适当、视觉柔和及颜色清晰的视觉效果。手术灯根据光源及结构分类，有卤素光源手术灯、LED手术灯等。在卤素光源手术灯中，手术灯系统需在采用滤光片的同时实现隔热、色温调整、高显色调整等光学功能[1-2]。本文介绍该滤光片的设计与制备。

1 手术灯的色温、显色指数及隔热性能的技术要求

手术灯的结构示意图，见图1，所用光源是卤素光源，6片滤光片组合成一个6面柱状灯罩，灯泡置于其中，光经曲面反射镜反射后再形成出射光柱。卤素光源的色温为2900～3200K，其发射光谱，见图2，既有有用的可见光，也有红外的热辐射，热辐射将对手术中的医生与病人造成不利影响，需要隔绝热量照射到手术区。3000K左右的色温的卤素灯发射光，其在人的眼视觉中是暖黄色的，显色性也很低，会降低手术医生对手术视野中的病人的器官、血管等的视觉清晰度与分辨力。因此，在卤素光源外，需要加上隔热滤光镜，将卤素灯发出光的色温调整到（4200±150）K，显色指数调整到＞92，红外热量隔离＞99% ，接近日光，使眼睛感知的颜色更清晰，利于医生快速有效地分辨伤口部位的组织，并且不会使医护人员因长时间手术工作而眼睛疲劳。

有的手术灯滤光片只用未镀膜的隔热玻璃，其光谱见图3。模拟计算该手术灯系统的色温与显色指数，见表1。可以看到，色温与显色指数都达不到要求。因此，需在隔热玻璃上镀制多层干涉薄膜，实现光谱调制，以达到色温与显色指数的要求。

图1 手术灯结构示意图

图3 未镀膜隔热玻璃光谱

表1 采用未镀膜隔热玻璃手术灯系统的色温与显色指数计算结果

2 手术灯系统色温与显色指数的模拟计算

为模拟分析手术灯的色温与显色指数，开发了手术灯色温与显色指数的模拟计算软件，软件显示界面，见图4。其算法如下：手术灯的出射光颜色刺激函数φ（λ）与卤素光源相对光谱功率分布S(λ)及滤光片的透射特性τ(λ)关系，见式(1)。利用近似积分算法计算出射光的3个刺激值及色度坐标，采用三角插值算法计算获得的色温。显色指数按照CIE13.3-1995光源显色性规定进行计算[3-4]，见式(2)。

△Ei为参照光源和测试光源透射滤光片后光照下样品的色差。

图4 手术灯色温显色指数模拟计算软件界面

3 镀多层干涉膜的隔热滤光片设计与优化

3.1 初始光谱设计

手术灯滤光片的隔热性能主要利用基片在红外波段的吸收性能，波段在750～900 nm，设计镀制多层干涉薄膜反射，提高隔热性能。采用以上设计滤光片的手术灯在800～3000 nm波段范围内的热量隔离＞99%，即透射＜1% ，隔热性能分析，见图5。

图5 隔热性能

手术灯的色温调整目标是将卤素灯的3000K色温提升到4200K。以上两种不同色温黑体辐射能量的光谱分布E4200(λ)、E3000(λ)，可根据式(3)计算，获得初始设计的调色温滤光片的透射率要求 ，光谱透射曲线，见图6。

经模拟计算软件计算，采用以上初始光谱设计的滤光片的手术灯的色温与显色指数计算结果，见表2。可见，采用以上初始设计滤光片的手术灯，其色温与显色指数都很好。从图6可以看到，采用初始设计光谱滤光片的手术灯，由于滤光片透射光谱在可见光范围内整体透射率较低，手术灯的光效利用率不高[5]，滤光片光谱需要进行进一步优化设计。

表2 优化色温设计的滤光片的色温与显色指数模拟计算结果

3.2 手术灯滤光片光谱的优化设计

以上初始设计虽然色温满足要求，但在人眼敏感的500～530 nm光谱范围见图7，光透射降低较多，会大大降低手术灯的亮度，需要进行优化设计。优化设计的基本方法是保持530 nm以下高透射，调整长波的各波长位置的透射率[6-7]，优化设计后的滤光片光谱，见图8。采用以上滤光片手术灯的色温与显色指数模拟计算结果，见表3，色温与显色指数都达到了设计要求。

表3 色温与显色指数模拟计算结果

结合人眼的视觉函数V(λ)[8-9]、优化设计光谱及理论光谱计算出射光效率，见公式(4)。采用以上两种不同滤光片的手术灯出射光的综合光利用效率，见图9。

图9 优化滤光片与初始滤光片光谱及手术灯光效率对比

计算结果表明，相比与初始设计，优化设计光谱的滤光片手术灯光利用效率提升了93.6%[10-11]。用Essential Macleod软件设计了以上光谱的多层光学薄膜膜系，材料为TiO2/SiO2，设计结果为40层，都是非规整厚度膜层，可以达到以上光谱要求。

3.3 针对宽角度入射的模拟计算

滤光片在手术灯中应用的光入射角为0～30°范围，因此需要计算滤光片在此范围内手术灯的色温与显色指数。优化光谱膜系在0～30°不同入射角度的透射光谱，见图10；不同入射角的色温显色指数计算结果，见表4（符合设计要求）。

图10 入射角为0～30°的入射光谱

表4 0°～30°入射光的色温显色指数模拟结果

4 滤光片镀膜制备与手术灯应用

采用Optorun 的OTFC1300镀制了优化光谱的手术灯滤光片，该设备配置多点间接光控系统和大功率离子源，可以实现非规整膜系的镀制，连续5次（重复性良好）镀制的滤光片光谱，见图11。

该光谱滤光片在手术灯上获得了应用，并进行了手术灯应用系统的测试，测试结果达到了色温（4200±150）K，显色指数＞92，隔热系数＞99%的技术要求。

5 结束语

在手术灯中应用隔热玻璃基底上镀制优化设计光谱的多层光学薄膜滤光片，可实现色温（4200±150）K，显色指数＞92，隔热＞99%的光学性能。针对人眼视觉函数优化设计滤光片光谱，可使手术灯在提高隔热、显色性能的同时，提高光利用效率，与未对视觉函数优化的初始设计滤光片的手术灯比较，提高光利用效率达93.6 %。

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