医用LED光电色检测系统设计

张培茗，郭世俊，2，刘杨，虞建栋（.上海健康医学院 医疗器械学院，上海 20009；2.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 20009；.宁波高新区通尚光电技术有限公司，浙江宁波 50）



医用LED光电色检测系统设计

张培茗1，郭世俊1，2，刘杨1，虞建栋3
（1.上海健康医学院 医疗器械学院，上海 200093；2.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；3.宁波高新区通尚光电技术有限公司，浙江宁波 315103）

摘要：设计并建立了医用LED光电色检测系统，系统由微型光纤光谱仪、光学积分球、可编程电源和温度控制器等构成。利用该系统对三款医用LED的参数进行了测量，在不同驱动电流下测量得到了温度从15℃到80℃变化对LED色温和显色指数的影响。实验证实该系统准确、可靠，解决了医疗仪器开发中对LED光源选择的问题。

关键词：生物医学工程；发光二极管；温度；色温；显色指数

0　引言

LED光源由于其轻便性、耗电低、环保和寿命长等特点在很多领域得到了广泛的应用［1］。在医疗器械领域主要用于照明，另外还可利用LED光的穿透特性、光化学作用和热作用等机理来实现多种疾病的诊断和治疗作用。目前在医疗器械领域已经实现实用化的光谱波段包括紫外、可见光和红外等，波长范围从340nm到3600nm均有涉及；而在临床治疗中涉及的科室涵盖了妇科、皮肤科、口腔科、外科和眼科等多个科室［2］。同时，随着LED及相关技术的不断进步，LED在医疗器械领域的应用还将逐渐扩大［3］，对于医用LED的要求也逐渐提高，针对医用LED的显色指数、色温等光电色特性在医疗器械的国家标准和医药行业标准中有了明确的要求，多个国家标准要求用于照明的LED如果是人眼直接观察被照明部位，LED的显色指数要求在85以上［4-5］。本文根据医用LED的参数要求，建立了一套用于医用LED的光电色检测系统，并对医疗器械中常用的LED进行了测试。

1　光电色参数测量的理论基础

被测光源的光学参数由光纤光谱仪测量获得，电参数通过可编程电源设置和进行测量。颜色相关参数色温、显色指数等根据光学参数进行计算［6］。

要计算颜色的色品坐标，要先计算颜色的三刺激值，计算公式如下：

式中，φ（λ）为LED样品的相对光谱功率分布，由光谱仪测量获得；x（λ）、y（λ）、z（λ）是1931CIE-XYZ色度系统的标准色观察者光谱三刺激值，计算出物体颜色的三刺激值后由式（2）计算出物体的色品坐标

在测量得到光源的光谱功率分布的情况下，进行显色性计算。评价光源的显色指数（CRI）采用一套15种试验色样品，其中1～8号试验色样品用于光源一般显色指数的计算Ra，这8种试验色代表了各种不同的常见颜色，其饱和度适中，明度值接近相等； 9～15号专门用于特殊显色指数Ri的计算，它们是一些饱和色和皮肤色。

测量、计算第i（1≤i≤15）种试验色在参考光源和待测光源下的色差ΔEi，最后可求得光源的特殊显色指数分别为：

Ri=100-4.6ΔEi

光源的显色指数越高，物体颜色的失真越小。如果Ri=100，则表示该试验色样品在待测光源照射下的色品坐标与参考光源照射下一致。一般显色指数Ra表示为1～8号试验色特殊显色指数平均值：

2　医用LED光电色检测系统的建立

医用LED光电色检测系统能够实现对光电色参数的准确测量，实现对不同封装、不同功率、不同发射光谱的LED进行测试。系统包括硬件和软件两个部分，硬件由海洋光学Maya2000pro微型光纤光谱仪、光学积分球、恒温控制仪、高精度可编程电源和计算机等组成（图1）。软件由Visual C++及VB.Net编写，实现对测量数据的采集、处理、分析、显示和存储，并具备系统状态、电源参数的显示和LED温度控制的功能。

图1　医用LED光电色检测系统硬件原理图

图1为系统的硬件原理图，硬件部分由电信号通道、温度控制通道和光信息通道组成。电信号通道由计算机控制可编程电源，计算机实时监测LED的电压、电流等信息，计算机与可编程电源通过RS232接口连接，能够为所连接光源提供恒流源或恒压源，并可监测光源的实时电压、电流和功率等信息，可编程电源可由计算机设置参数，也可以采用手动模式直接对可编程电源进行设置。

由于LED工作过程中会产生一定的热量，而温度变化对LED的峰值波长、辐射通量、色温、显色指数等参数都有影响，一般采用LED光源的设备也会对LED的散热进行专门设计，在进行LED参数测试的时候就必须要考虑温度对LED的影响。因此本系统设计了专门装置用来对LED温度进行控制，温度控制通道由恒温控制器对LED工作的温度进行控制，恒温控制器采用半导体材料的Peltier效应对LED进行温度控制，在安装LED的夹具上又埋设了温度传感器，恒温控制器实时接收温度传感器信号，根据温度传感器信号与目标温度差别控制半导体制冷片制冷或加热，结合人工智能温度控制算法实现温度的精确控制，本系统的温度控制范围为5℃～80℃，分辨率0.1℃，精度±0.5％，温度控制器通过RS485接口与计算机相连，计算机可显示设置温度和实时温度，温度设置也可通过手动方式由恒温控制器设置。

系统采用的光学积分球根据CIE 127最新标准要求设计，采用最新旋压一次成型工艺，使用全铝合金材质，喷涂高反射率BaSO4涂层，具有2π测量、4π测量功能及自吸收修正功能。为了保证较高精度，系统采用海洋光学Maya2000pro微型光纤光谱仪，该光谱仪采用日本Hamamatsu原装面阵CCD，动态范围宽，精度高，可以精确实现LED光电色参数测量。

在为LED提供驱动电源和恒温控制的基础上，LED以2π测量方式安装在积分球内对光学参数进行测量。光学参数测量由积分球内的光纤探头把测量光信号发送到光纤光谱仪的输入接口，光纤光谱仪获取的信息通过USB接口发送到计算机中进行分析处理。

系统软件采用Visual C++及VB.Net编写，利用恒温控制器、可编程电源和光纤光谱仪的二次开发包进行开发。系统软件根据光学测量要求进行设计，按照参数测量要求，提供仪器预热、暗电流测量、光谱校准和自吸收修正等功能。软件界面可进行光谱仪、电源和恒温器参数设定。软件界面显示测量结果，并显示被测LED的光谱曲线，还可选择显示CIE1931、CIE1960和CIE1976标准的色度图。系统软件设计能够满足各种不同用途的需求，方便进行LED测试的使用。

图2　医用LED光电色检测系统实物图

3　医用LED光电色参数检测实验

实验样品为选自用于医用手术头灯和检眼镜中的白光LED进行测试。选择美国、德国和国内公司生产的CR、OS和PR三款医用照明白光LED进行检测，三款LED的标称参数见表1。实验主要对三款LED的光谱曲线、发光效率、色温和显色指数随温度的变化进行测量和分析。

表1　三款LED标称参数

测量前进行准备工作，开机预热30分钟，确认积分球闭合、球内无光源发光，测量得到暗电流，之后安装标准灯，设置参数，完成光谱校准，最后进行自吸收修正，完成上述步骤后开始进行测量。

测试环境温度为25℃，CR和OS工作电流设置为350mA、700mA和1000mA，PR工作电流设置为350mA，分别测试三款LED在15℃～80℃显示指数、色温和发光效率随温度的变化情况。

光源所发出光的颜色与“黑体”在某一温度下辐射的颜色相同，“黑体”的温度就称为该光源的相关色温。在黑体辐射中，温度越高，光谱中的蓝色成分越多，红色成分越少。从图3中可看出，驱动电流、LED温度变化都会对色温产生影响。CR和OS在低温时呈现色温较高，随温度升高色温有所下降，PR随温度升高色温有所上升，白光LED的色温主要受到蓝光辐射占整个光谱辐射通量比例的影响。

显色指数是医用LED的重要参数，其直接影响照明部位的血管、组织等的辨识能力。测试的LED显色指数随温度升高都有所上升，OS的显色指数在高温区略有下降。显色指数的变化受到LED的峰值波长变化影响，因此要保证良好的显色性要控制LED的温度，增加散热装置，保证LED有稳定的光学和颜色参数。

图3　色温随温度变化曲线图

图4　显示指数随温度变化曲线图

4　结论

光电色参数对于LED的选择是重要依据，LED生产厂家、批次都会影响LED的参数变化，在医疗仪器中对LED的参数有严格要求，同时还要保证安全性。通过本设计建立了医用LED的光电色测量系统，通过实验对三款医用LED参数进行了测量，系统达到了设计要求，为新型医疗仪器设计LED光源选择和现有医疗仪器LED光源替代提供了有力支持。

参考文献

［1］Crawford M H.LEDs for solid-state lighting :performance challenges and recent advances［J］.IEEE J.Selected Topics in Quantum Electronics，2009，15（4）:1028-1040.

［2］张志军，任海萍，陈敏，刘艳珍.医疗器械中LED光辐射危害的探讨［J］.中国医疗设备，2013，28（7）:1-4

［3］ 刘丽娟，傅志中，张培茗等.高显色指数LED驱动电路的设计［J］.电源技术，2015，39（2）:357-359.

［4］ 国家食品药品监督管理局.YY 1080-2009眼科仪器直接检眼镜［Z］.2009-12-30.

［5］ 国家食品药品监督管理局.YY 1081-2011 医用内窥镜内窥镜功能供给装置冷光源［Z］.2011-12-31.

［6］ 谭力，刘玉玲，余飞鸿等.光源显色指数的计算方法研究［J］.光学仪器，2004，26（4）:41-44.

Design of medical LED photoelectric color detection system

ZHANG Pei-ming1，GUO Shi-jun1，2，LIU Yang1，YU Jian-dong3
（1.School of Medical instrumentation， Shanghai University of Medicine & Health Sciences， Shanghai 20093， China； 2.School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093，China； 3.Ningbo everuping optics co.Ltd， Ningbo 315103， China）

Abstract:Design and establishment of medical LED photoelectric color detection system，the system consists of a micro optical fiber spectrometer，Optical integrating sphere，programmable power supply and temperature controller，etc..Apply this system to detect the parameters of three medical LED devices.In different driving current can detect the effects of the temperature-influence from 15℃ to 80℃ to LED color temperature，and color rendering index.Experiments confirmed that the system is accurate and reliable，which can solve the problem of the choice of LED light source in the development of medical instruments.

Keywords:Biomedical engineering； LED； Temperature； Colour temperature； Color Rendering Index

*基金项目：上海教委科研创新项目（13YZ147）

作者简介：张培茗（1981-），男，讲师，主要从事眼视光学和计算机控制方面的研究