一款轻型的LED医用头灯的光学设计

李 澜，戎皓晟，王凤超，居家奇，邹 军，孙富兵

(上海应用技术大学理学院，上海 201418)

引言

半导体照明灯具因其具有高效、节能、稳定、环保及超长寿命等特点，已经在各领域得到了广泛地应用[1]。随着LED技术的不断发展，光源质量的不断提高，LED已经逐渐应用在医学领域从而取代传统的照明光源，如手术无影灯、医用头灯、光固化灯、荧光显微灯等。其中，医用头灯常用于五官科、普外科、脑外科等各种检查和手术过程中作为辅助或定向照明，因其使用的特殊性，要求具有携带方便、定向照明和高亮度等特点，特别是对患者深层狭窄部位进行检查时，要求点光源和医生的视线处在同一角度[2，3]。而传统的头灯由白炽灯泡或卤素灯泡提供光源，具有重量大、结构复杂、易损坏、高功耗、高传导损耗、寿命短、维护保养复杂等缺点[3，4]。为了克服传统光源的诸多缺点，目前医用头灯设计开发过程中多采用LED光源，这就需要对头灯机械结构、匀光系统、散热部件等进行重新设计，以达到最佳照明效果[5，6]。

基于上述情况，我们设计一款新型医用头灯，采用大功率LED为光源，以四片透镜作为匀光系统，头灯外观结构都采用塑料材质进行设计，导热器件也选择了合适的导热塑料，使得整个头灯重量减轻，佩戴轻松舒适，又不影响其散热效果。对头灯光学系统的进一步优化设计，增加光阑旋钮，不仅使得整个头灯聚光效果好，而且能够满足深度清晰照明的需要，以及不同医疗条件下辅助照明的要求。

1 新型头灯的外观结构

LED医用头灯的结构，主要由LED光源、镜筒、散热器、充电器等部分组成。在本医用头灯的设计中，整个头灯外观结构全部采用了塑料外壳设计，并将常用的金属铝LED光源散热材料更换为导热塑料(WH-278)，新设计的医用头灯满足LED光源的散热要求，而整灯重量比用金属铝作为散热器减轻了1/3，佩戴时间较长时，也不会给医务人员造成头脑压迫，佩戴体验更为舒适。引入的调节旋钮，医务人员可以通过小小的调节旋钮，改变光阑孔径的大小，便可实现调节头灯光斑大小的需要，同时也能对光斑亮度进行微调节。

我们将LED医用头灯的主体设计成圆柱体，如图1中头灯的外观结构所示。图1中给出了沿着主光轴放置的四部分结构，分别是透镜套筒、调节旋钮、LED光源及基板和散热底座。其中，透镜套筒用来放置所设计的四片同轴透镜，组成主要的匀光系统。而带有螺纹的调节旋钮，通过旋转本旋钮，可以改变内置的光阑开口，达到实现调节光斑大小的功能。对于LED光源及基板，与镜筒是同轴设计。最后面的LED光源散热底座，由常用的金属铝更换为导热系数较高、更轻质的导热塑料。将图中的四个部件顺次装配，并安装上四片透镜组成的匀光系统，再加外置的电源，就组成了我们设计的LED医用头灯。

图1 头灯的外观结构示意图Fig.1 Structure of medical headlamp

2 匀光系统的设计

新型医用头灯的光源，需要发出有很强指向性的光，我们将使用Cree大功率LED光源。整个匀光系统，由四片K9玻璃材质(公司指定玻璃型号)的透镜组成，如图2为其 2D示意图(由光学设计软件ZEMAX导出)。编号为A的第一片透镜是扩束镜，扩束镜紧靠LED光源，两者之间的装配距离在1 mm以内。设置扩束镜的合理曲率半径和厚度，使得从LED光源出来的光均匀扩散到整个镜筒中。扩束镜后面是可调节光阑，通过旋转头灯的调节旋钮(见图1)，可以调节光阑的开口大小，实现调节光斑大小和光斑亮度微调的功能。图2中编号为B、C、D的三片透镜均为比较薄的凸透镜(厚度小于2.5 mm)，这三片透镜间距小于2 mm，组合形成的透镜组主要起到匀光的作用，其孔径的大小和图1的机械结构相匹配。为了使得头灯系统更轻便，试图减小四片透镜的总长度，用ZEMAX软件进行结构参数的优化，将四片透镜间距、透镜厚度多个相关参数设置为变量，其它参数不变，经过长时间的优化计算，发现图2所示的四片透镜的总长度为目前匀光系统的最短长度。所以，整个头灯的长度为25 cm。

图2 光学系统2D示意图Fig.2 2D view of the optical system

用光学设计软件ZEMAX，模拟了通过四片透镜组成的光学系统的光斑图，来进行LED光源筛选。最后，我们确定光源使用Cree XPG系列的LED光源，在距图2中最后一片透镜(凸透镜D)40 cm处的探测器上，得到模拟的光斑图如图3所示。从图3中可以看出，得到的圆形光斑均匀，模拟结果可以定性地说明匀光系统能够起到很好的匀光效果，所选取的Cree XPG的 LED光源，能够满足医用头灯的基本照明要求，所设计的四片K9玻璃材质的匀光透镜系统，能够起到良好的匀光效果。

图3 40 cm处模拟的光斑图Fig.3 The simulating spot diagram at 40 cm

为了检验我们设计的LED头灯的光学性能，对打样的医用头灯，用Radiant SIG-400光源近场模拟测试系统进行测试，得到距离最后一片透镜40 cm处的照度图(图4)。从图4中可以看出，由LED光源出发的光，经透镜组后，在40 cm的平面上，其光斑均匀性和照度可以满足本医用头灯照明的需要。因此，本次设计的四片透镜组成匀光系统的匀光效果，以及整灯的结构达到了医用头灯的设计要求。

图4 40 cm处的照度图Fig.4 The illumination map at 40 cm

3 结论

我们设计了一款新型的便携式LED医用头灯，主要对其匀光系统进行了光学设计，该匀光系统由四片K9玻璃透镜组成，能够实现对LED光源的扩展和匀光。对样品的光分布进行测量，在距离头灯40 cm的屏上得到了直径不小于8 cm的圆形光斑，这符合设计目标，其光斑的亮度满足本款医用头灯的使用要求。样品测试和模拟的结果，让我们获得了初始结构和数据，为后续进一步优化设计LED医用头灯提供参考。