医用红光LED的均匀性及焦距测试

赵 丽，崔立杰

(天津职业技术师范大学 信息传感与智能控制重点实验室，天津 300222)

引言

随着如今科技的迅速发展，LED因为有寿命长、轻便、耗电少和环保的特性，使其在多方领域中得到了广泛的应用[1-3]。其中在生物医学领域LED照明和对疾病的诊断与治疗是现在的热门研究课题之一[4]。在现阶段，随着LED在医疗器械领域应用越来越广泛[5]。在医用的照明方面，LED可以用作手术时的照明设备，用LED作为无影灯，其优点是LED的照明温度低，不会灼伤创面，而且其颜色可以真实的呈现创面的颜色；在医用诊断方面，LED因为体积小、低功耗、低电压的特点被用在胃镜的检查领域；在医疗治愈方面，蓝光LED可以治疗婴儿黄疸，高亮的红光LED成为光动力疗法的一种重要手段，不同峰值波长的LED对于皮肤的治疗也有不同的疗效，627 nm的LED可以美白皮肤，而405 nm的LED则可以治疗皮肤上的痤疮[6]。目前，LED治疗心里疾病的研究正在逐步发展，因此基于以上LED的用途，医用LED的要求也越来越高。

对于医用LED的光辐均匀性在医药行业标准和医疗器械国家标准中有了明确的要求[7]。因为通过LED 的电流大小决定了LED的亮度，所以在有恒流电源的前提下，本文利用LED光色分析测试系统，对于不同峰值波长的红光LED，进行串联测试，分析在不同照射距离下的均匀性是否有着差异，并且寻找出各峰值波长在不同照射距离下的均匀性与光效有何不同。

1 LED光源

基于医用红光LED对于照射光源的要求，设计并定制出宽为25 mm、长为500 mm的铝制板灯条若干，每条发光面积约12 500 mm2。每个灯珠的功率为0.1 W，每条灯条上等距离分布16个LED。为了研究不同距离对于不同峰值波长LED的均匀性影响，需要将峰值波长分布在610～670 nm的红光LED焊烤在灯条上分别进行实验。表1是峰值波长为610 nm的LED到峰值波长为670 nm LED的基本参数。

表1 七种不同峰值波长红光LED基本参数Table 1 Seven basic parameters of red LED with different wavelengths

2 试验过程与设备

1)试验过程。每次设计了4个不同距离的照射试验，分别是100～400 mm来测试出受光面各个受光点的均匀性，之后设计8个不同照射距离的试验去测试受光面的综合平均光强。 因为本次试验所制备的灯条是长条形状，所以选取的受光面是长方形，单个LED光源的照明示意图如图1所示，且在受光面上均匀选取8个受光点，如图2所示。考虑因需求灯条投射的光面积需要大于灯条本身的面积，受光面则选取150 mm×500 mm为受光面积，相对于较窄的受光面积可以更加的切合实际需求。不同距离下对于不同峰值波长医用红光LED发光板到8个不同受光点的光通量密度和光照度分别进行测试，随后通过统计软件求平均与标准差函数计算每个距离下各个数据的平均值与标准差，最后求出数据的变异系数(标准差/均值)，变异系数决定着其均匀性的好坏，变异系数越小，则数据之间的差异越小，均匀性越高。

图1 单颗LED照明Fig.1 Single LED illuminating schematic

图2 受光面受光点图Fig.2 Light spot drawing

2)其他试验设备。TES-1333太阳能辐射测试仪是一款轻巧简便的光辐射测试装置，只要将仪器顶端的感测器置于光下，便可以测量出光通量,测量范围为0～2 000 W·m-2。标智GM1010光照度计，在测量的时候需要受光点与照度计的光探头相对应放置。测量范围为0～20 000 lx。

3 试验结果

在拥有恒流源并且照射距离不同的情况下，对于不同峰值波长的LED的光通量密度和光照度也有着影响。光通量密度试验数据选取峰值波长为610 nm与670 nm的红光LED为代表，实验结果如表2、表3所示，光照度试验数据也选取610 nm与670 nm红光LED作为代表，实验结果如表4、表5所示。

表2 不同照射距离对610 mm LED不同受光点光通量密度的影响Table 2 Effects of different irradiation distances on light flux density of 610 mm LED under different light spots W·m-2

注：①②③④⑤⑥⑦⑧代表8个受光点(见图2)

表3 不同照射距离对670 mm LED不同受光点光通量密度的影响Table 3 Effects of different irradiation distances on light flux density of 670 mm LED under different light spots W·m-2

表4 不同照射距离对610 mmLED不同受光点光照度的影响Table 4 Effects of different irradiation distances on illuminance of 610 mm LED under different light spots lx

表5 不同照射距离对670 mm LED不同受光点光照度的影响Table 5 Effects of different irradiation distances on illuminance of 610 mm LED under different light spots lx

根据表2和表3所示的数据发现，受光面上8个不同受光点所接收的光通量是不同的，在照射距离为100 mm时，受光点①④⑤⑧相对于受光点②③⑥⑦所接收的光通量密度要少90%，在照射距离为200，300 mm和400 mm时，受光点①④⑤⑧接收的光通量密度大约为受光点②③⑥⑦所接收的光通量密度的20%～50%，通过对变异系数的比较可以看出，其大小是跟随照射距离变化的，照射距离越大，变异系数越小，不同受光点所接收的光通量密度差值越小，受光面受光越均匀。其折线图如图3和图4所示。

图3 610 nm LED光通量密度折线图Fig.3 610 nm LED light flux density line diagram

由表4和表5可以看出，光照度与光通量的变化规律是相似的，对于不同峰值波长的红光LED，在照射距离为100 mm时，受光点①④⑤⑧相对于受光点②③⑥⑦所接收的光照度也是要少90%左右，在照射距离为200、300 mm和400 mm时，受光点①④⑤⑧接受的光通量密度大约为受光电②③⑥⑦所接收的光通量密度的15%～80%，虽然有一些差异，但是总体的规律皆是随着照射距离的增加而使受光面的变异系数减小，也就是说随着照射距离的增加，各个受光点的光照度均匀性也越来越好。其折线图如图5和图6所示。

图4 670 nm LED光通量密度折线图Fig.4 670 nm LED light flux density line diagram

图5 610 nm LED光照度折线图Fig.5 610 nm LED illuminance line diagram

图6 670 nm LED光照度折线图Fig.6 670 nm LED illuminance line diagram

在测试各受光点进行试验之后，对于整体受光面的光照度与光通量密度进行了试验，共进行了6次测试，测试数据如表6和表7所示。结果折线图如图7和图8所示。

表6 不同照射距离对LED受光面光通量密度的影响Table 6 Effect of different irradiation distance on light flux density of LED W·m-2

表7 不同照射距离对LED受光面光照度的影响Table 7 Effect of different irradiation distances on the light intensity of LED lx

图7 受光面光照度折线图Fig.7 Folded line diagram of light irradiance

图8 受光面光通量密度折线图Fig.8 Light flux density line diagram of light surface

观察表6与表7数据可以发现，在受光面上，不论是哪种峰值波长的红光LED在增加照射距离的情况下，光照度与光通量密度都是呈现出先增加后衰减的趋势，也就意味着当达到一定的照射距离时，即300 mm的照射距离，LED在受光面上的光照度与光通量密度都达到一个极值，此时的受光面上光照度与光通量密度都是最好的。当超过这个照射距离后，LED发出的光会受到空气中介质以及继续增加的照射距离的影响，受光面所接收的光强越来越小，即光照度与光通量密度越来越小。

由此可以看出，本次实验的医用红光LED，具有较好的均匀性，并且带有透镜，焦距为300 mm。本文通过对不同峰值波长的医用红光LED进行实验，最后证明虽然不同峰值波长的LED光照度与光通量密度的分布规律有着微小的差异，但是其分布规律却与峰值波长无密切关系，同样的，LED的焦距也不会因峰值波长的改变而变化。因此在以后的测量实验中，可以参考本文避免对同色且峰值波长比较接近的LED进行反复测试，而应该对某一LED进行多次测试以保证实验结果的准确性与普遍性。

4 结论

本文通过研究医用红光LED在不同照射距离下的光照度与光通量的均匀性发现，对于8个不同受光点，每个点之间光照度与光通量的变异系数随着照射距离的增减而减小，即均匀性越来越好；并通过对整个受光面的光照度与光通量密度测量确定了LED光源的焦距为300 mm。

依照当前现在的医用LED来说，在治疗病变时，对于患者是的照射治疗是采取全面照射还是局部照射，或者是要追求LED光的均匀性，都是需要实际慎重考虑的问题。所以LED光照的均匀性研究也就变得格外重要，虽然在毫米间隔的照射距离下所产生的均匀性差异并不大，但是对于医用来说，细微的差异就可能带来巨大的变化。因此，今后针对医用LED研究必将愈加完善，其性能参数也会影响疗效。