直下式LED黄疸灯的设计与制作

李建鹏， 郭震宁,*， 林介本， 张佳宁， 陈中行， 薛冬冬， 黄学铃

(1. 华侨大学 信息科学与工程学院， 福建省光传输与变换重点实验室， 福建 厦门 361021;2. 泉州市世芯智能照明技术研究院有限公司， 福建 泉州 362302)

1 引 言

新生儿黄疸是新生儿常见的病症，病情严重时会直接威胁到新生儿的健康和生命[1]。光疗作为新生儿黄疸病的一种治疗方法[2]，因其疗效好、方法简单易行、安全和副作用少等优点[3]，已在临床上被广泛使用[4]。传统的新生儿黄疸光疗灯主要有卤素灯、白炽灯和荧光灯等，但这些光源都有光衰强、寿命短、辐射光谱不稳定和频闪等缺点，且含有对人体有害的红外光和紫外光[5]。LED作为第四代照明光源[6]，具有光效高、体积小易设计、寿命长、抗震性能好、光色性能好、稳定以及环保节能等优点[7-8]，在新生儿黄疸病治疗光源以及其他特种照明应用中很有发展前景。

目前，在新生儿黄疸光疗方面已有很多研究。苏祥菊[9]对比了间歇性与持续性蓝光照射在新生儿黄疸治疗中的效果，证明间歇性蓝光照射能够更有效地减轻患儿的痛苦，提高治疗依从性。Li等[10]证实了皮肤接触式护理(Kangaroo mother care,KMC)可有效减少黄疸患儿的光疗时间。周康良[11]将蓝光照射和中药外洗相结合，快速有效地降低了患儿总胆红素的浓度水平，缩短了光疗时间。本课题组对LED黄疸光疗灯也做了许多研究。张佳宁等[12]通过发光光谱研究了不同黄疸治疗光源潜在的紫外辐射、热辐射等光生物安全问题，提出蓝光LED是治疗新生儿黄疸的理想光源。甘汝婷等[13]以新生儿体内胆红素的吸收光谱为目标光谱，采用不同峰值波长的4种单色LED对目标光谱进行构造和优化，研制出一种用于治疗新生儿黄疸病的直下式LED平面光源(直下式LED黄疸灯)。然而，其在基板上只对4种单色LED进行了简单的排布，尽管在接收面(婴儿床)上实现了照度均匀，但接收面上各点接收到的光源光谱却存在差异，降低了该灯的光疗效果。

本文主要改进4种单色LED在同一基板上的排布方式，使接收面上实现足够照度均匀度的同时，还使直下式LED黄疸灯在接收面上各点所接收到的光源光谱相同(平面光谱分布均匀)，以充分保证直下式LED黄疸灯对黄疸病的治疗效果。

2 平面光谱分布均匀性的评价指标

假设接收面上有A和B两点，并令A和B接收到的光源相对光谱功率分布分别为La和Lb。鉴于实验测量的光谱数据都是对应特定波长的离散数据[14]，若令某一波长λ0下的相对光谱密度为L(λ0)，则可将La和Lb以相对光谱功率分布矩阵做如下表达：

La=(La(λ1),La(λ2),La(λ3),…,La(λm)),(1)

Lb=(Lb(λ1),Lb(λ2),Lb(λ3),…,Lb(λm)),(2)

本文采用相关指数(R2)来评价La与Lb的一致性[15]，即接收面上A和B两点之间的平面光谱分布均匀性，其计算公式为：

Pab=R2=

平面光谱分布均匀度Pab越接近于1，表明A点光谱与B点光谱越接近，两点的平面光谱分布均匀性越好。将接收面上各点光谱与其中一点光谱(参考光谱)进行平面光谱分布均匀度P的计算，当其中最低值越接近于1时，则接收面上的平面光谱分布均匀性越好。

3 实现平面光谱分布均匀性的LED阵列排布

本文直下式黄疸灯所用4种单色LED光源都为2835贴片式，功率皆为0.1 W，其具体光电参数以及LED使用数量如表1所示。运用远方光电股份有限公司生产的YF1000光色电测试系统进行光谱测试，获得4种单色LED光源的相对光谱分布，如图1所示。

图1 4种单色LED光源的相对光谱分布图

Fig.1 Relative spectral distribution of 4 kinds of monochromatic LEDs

表1 4种单色LED的光电参数

3.1 实现平面光谱分布均匀的设计思路

本文通过对基板上4种单色LED的排布方式进行设计，先在直下式LED黄疸灯的出光面上实现平面光谱分布均匀，接着通过出光面放置物(扩散板或其他透明罩)对各单色LED辐射光进一步散射混合，从而在接收面上实现平面光谱分布均匀。直下式LED黄疸灯出光面上的平面光谱分布均匀设计思路示意图如图2所示。其中，ID1、ID2、ID3和ID4分别为LED1、LED2、LED3和LED4在直下式LED黄疸灯出光面上的照度分布；LED1、LED2、LED3和LED4分别代表峰值波长为445,465,475,495 nm的单色LED。

Total spectrum Ⅰ是出光面Ⅰ位置上接收到的总光谱，由LED1、LED2、LED3和LED4分别辐射在Ⅰ位置上的分光谱spectrum 1Ⅰ、spectrum 2Ⅰ、spectrum 3Ⅰ和spectrum 4Ⅰ构成。当LED1、LED2、LED3和LED4分别辐射在Ⅰ位置上的4个照度能量值的比例变化时，其总光谱的分布形态也会发生变化，出光面Ⅱ位置和Ⅲ位置上总光谱的分布形态可同理推知。因此，当4种单色LED在Ⅰ位置、Ⅱ位置和Ⅲ位置上具有相同的照度能量比例时，这3个位置上总光谱的分布形态是相同的。同理，当ID1、ID2、ID3和ID4都为均匀的照度分布时，4种单色LED在出光面各位置上的照度能量比例相同，则出光面上各位置都具有相同的光谱分布形态，即在出光面上实现平面光谱分布均匀，进而在接收面上实现平面光谱分布均匀。

3.2 基板上的LED阵列排布

LED为朗伯光源且不加装大角度透镜时[16]，矩形LED阵列的距高比等于或小于1时，直下式LED面板灯的出光面会有高均匀度的照度分布。本文在设计直下式LED黄疸灯时，将基板上LED与出光面的距离设置为60 mm，对各单色LED采用矩形排布方式，且设置距高比小于1，以使各单色LED阵列在出光面上具有高均匀度的照度分布。鉴于在同样距高比和照度均匀度下，若排布的LED数量更多，照度分布的均匀区域会更大。按照LED数量从少到多的顺序，相继在基板上排列峰值波长为445,465,495,475 nm的单色LED，使ID1、ID2、ID4和ID3在出光面上具有近似同样大小的均匀照度分布范围。

本文4种单色LED在同一基板上的排布方式如图3所示。其中，A、B、C和D分别代表峰值波长为495,475,465,445 nm的单色LED，相对应的排布方式为Array A、Array B、Array C和Array D。Array A共有5行10列，其横向间距和纵向间距分别为22 mm和15 mm；Array B共有8行11列，其横向间距20 mm，而纵向间距分别为5 mm和25 mm；Array C共有2行9列构成，其横向间距和纵向间距分别为25 mm和40 mm；Array D共有2行6列，其横向间距和纵向间距分别为40 mm和50 mm。

图2 直下式LED黄疸灯出光面上的平面光谱分布均匀设计思路示意图

Fig.2 Design scheme diagram of uniform planar spectral distribution on the out-lighting surface of direct-lit LED jaundice phototherapy lamps

图3 4种单色LED在同一基板上的排布

4 直下式LED黄疸灯的制作与测试

根据国家标准YY 0669-2008《医用电气设备.第2部分：婴儿光治疗设备安全专用要求》[17]，将接收面尺寸设置为600 mm×300 mm，其中接收面的照度均匀度G须大于40%，且按最小照度值Emin和最大照度值Emax的比值计算。鉴于接收面上每个照度测量点的间距不超过0.1 m，将接收面等划分为32个正方形网格，网格尺寸为75 mm×75 mm，并对每个网格进行标号，如图4所示。本文通过测量接收面上各网格的照度数据和光谱数据，来计算相对应的照度均匀度和平面光谱分布均匀度。另外，本文将直下式LED黄疸灯的边框尺寸设置为250 mm×130 mm×60 mm，出光面与接收面的距离设置为410 mm。

图4 网格划分后的接收面

4.1 直下式LED黄疸灯的仿真实验

本文在出光面上放置棱镜膜BEF(Brightness enhancement film)[18]，以使直下式LED黄疸灯分散的辐射光朝着接收面的方向聚集。图5所示为出光面上放置棱镜膜的直下式LED黄疸灯简易模型图，将两张棱镜膜的光滑面紧贴，并将两棱镜面分别对准LED光源方向和接收面方向，且使棱镜取向都沿着边框的短边方向。

图5 出光面上放置棱镜膜的直下式LED黄疸灯简易模型图

Fig.5 Simple model diagram of direct-lit LED jaundice phototherapy lamps placing brightness enhancement film on the out-lighting surface

本文选用一款LightTools文件库里型号为3M Vikuiti tm BEFIII T 90_50的棱镜膜进行仿真。图6所示为仿真模型示意图，采用两个直下式LED黄疸灯对接收面共同照射，且两灯以450 mm的中心间距沿黄疸灯边框短边的方向并列放置。另外，仿真时采用2835 LED光源文件(.ray)并按图3所示排布，且导入相应4种单色LED的光谱数据以及光通量。在接收面的位置上，设置了一个可获取照度数据的大尺寸表面接收器和获取光谱数据的32个小表面接收器。

图6 仿真模型示意图

仿真后接收面上的照度分布如图7所示。截取接收面中间600 mm×300 mm区域内的照度数据，计算出的照度均匀度为75.30%，平均照度值为1 220.40 lx。提取32个小表面接收器上的光谱数据，以其中一个接收器的光谱数据作为参考光谱(平面光谱分布均匀度为Pref=1)，计算其他31个网格的平面光谱分布均匀度，其中最低值为Pmin=0.990 5。图8所示为Pref=1和Pmin=0.990 5的相对光谱分布，从图中可知，接收面上具有很好的平面光谱分布均匀性。

图7 仿真后接收面上的照度分布图

Fig.7 Illumination distribution on the receiving surface after simulation

图8 Pref=1和Pmin=0.990 5的相对光谱分布图

Fig.8 Relative spectral distribution ofPref=1 andPmin=0.990 5

4.2 直下式LED黄疸灯的实物制作与测试

根据前文仿真结果，本文制作了出光面上放置棱镜膜的直下式LED黄疸灯样品，即样品1，其实物如图9(a)所示。另外，为了验证分析棱镜膜与普通扩散板在出光效果上的差异，制作了出光面上放置扩散板的直下式LED黄疸灯样品，即样品2，其实物如图9(b)所示。其中，样品1所用市面上棱镜膜的厚度为150 μm，样品2采用市面上普通LED面板灯常用的双面磨砂乳白扩散板，厚度为1 mm。

图10所示为本文制作的直下式LED黄疸灯样品内部结构图，先跟据图3所示的LED排布方式，制作出相应的铝基板并焊上相应的单色LED芯片，再将背面贴有导热硅胶垫的铝基板固定在边框的内底面。

图9 直下式LED黄疸灯实物图。(a)样品1实物图；(b)样品2实物图。

Fig.9 Actual direct-lit LED jaundice phototherapy lamp samples. (a) Sample 1. (b) Sample 2.

图10 直下式LED黄疸灯样品的内部结构图

Fig.10 Internal structure of the actual direct-lit LED jaundice phototherapy lamp samples

图11 直下式LED黄疸灯的实验测试平台图

Fig.11 Experimental platform of the actual direct-lit LED jaundice phototherapy lamp samples

本文分别对样品1和样品2在接收面上的照度数据和光谱数据进行实验测试，其测试平台如图11所示。首先，根据图6仿真模型示意图，将两个直下式LED黄疸灯(两个样品1或两个样品2)并列放置在平坦的实验桌上。接着，将图4所示网格划分后的接收面以实际尺寸打印在一张A1白纸上，并张贴在距离两灯440 mm的竖直平面处以充当接收面。然后，在暗环境条件下，采用厚度为30 mm的SPIC-200B彩色照度计对32个小矩形网格的照度数据和光谱数据进行测量。在实验测量过程中，将彩色照度计背部紧贴在白纸上，并使感应探头位于各个小矩形网格的几何中心处。

样品1和样品2在接收面上的光斑效果分别如图12(a)、(b)所示，与出光面放置扩散膜的直下式LED黄疸灯相比，出光面上放置棱镜膜的直下式LED黄疸灯的光斑能量较为集中。对接收面上的照度数据进行处理和计算后，可获得样品1和样品2分别在接收面上的最大照度值Emax、最小照度值Emin、平均照度值Eave和照度均匀度G等参数，如表2所示。

图12 直下式LED黄疸灯样品在接收面上的光斑效果图。(a)样品1在接收面上的光斑效果图；(b)样品2在接收面上的光斑效果图。

Fig.12 Light spot effect on the receiving surface of the actual direct-lit LED jaundice phototherapy lamp samples. (a) Light spot effect on the receiving surface of sample 1. (b) Light spot effect on the receiving surface of sample 2.

表2接收面上的照度参数

Tab.2 Illuminance parameters sheet on the receiving surface

TypeMaximum illuminance Emax/lxMinimum illuminationEmin/lxAverage illuminationEave/lxIllumination uniformity G(Emin/Emax)Sample 11 288.14956.321 143.740.742 4Sample 2855.17690.19786.520.807 1

从表2可知，样品1在接收面上的平均照度值为1 143.74 lx，照度均匀度值G为0.742 4；样品2在接收面上的平均照度值为786.52 lx，照度均匀度值G为0.807 1。与出光面上放置扩散板的直下式LED黄疸灯相比，在600 mm×300 mm的接收面上，出光面上放置棱镜膜的直下式LED黄疸灯具有更高的平均照度值，能将光源分散的辐射光能量聚集到接收面的方向，而照度均匀度会相对较差一些，但都远高于国家标准规定的40%的照度均匀度阈值。

表3 接收面上32个小矩形网格的平面光谱分布均匀度

图13 接收面上的光谱数据曲线图。(a)样品1在网格Q16的光谱曲线图；(b)样品1在网格Q5的光谱曲线图。

Fig.13 Spectrum curve on the receiving surface. (a) Spectrum curve of sample 1 on the Q16 grids. (b) Spectrum curve of sample 1 on the Q5 grids.

对接收面上32个小矩形网格的光谱数据进行处理和计算后，可获得样品1和样品2分别在接收面上各个小矩形网格的平面光谱分布均匀度值，如表3所示。其中，本文以接收面上小矩形网格Q16上的光谱作为参考光谱，再根据公式(3)计算出接收面上各网格的平面光谱分布均匀度值。另外，本文将在接收面中Qi(i=1,2,3,…,32)网格的平面光谱分布均匀度记为PQi。

从表3可以看出，与接收面上其他网格相比，样品1在网格Q5的平面光谱分布均匀度值最低，其值为0.999 519；样品2在网格Q19的平面光谱分布均匀度值最低，其值为0.999 907。在600 mm×300 mm的接收面上，放置扩散板的直下式LED黄疸灯具有更高的平面光谱分布均匀度。但是无论出光面上放置的是棱镜膜还是扩散板，接收面上都具有超过99.9%的平面光谱分布均匀度值，具有非常均匀的平面光谱分布。图13(a)、(b)所示为样品1分别在网格Q16和网格Q5的光谱数据曲线图，从图中可直观感受接收面上各网格光谱的一致性。

5 结 论

本文对不同数量的4种单色LED在同一基板上的排布方式进行设计，制作出一款可在接收面上实现平面光谱分布均匀的直下式LED黄疸灯。按照LED数量从少到多的顺序，本文相继在基板上排列峰值波长分别为445,465,495,475 nm的单色LED，使这4种单色LED在出光面上具有大小相近且照度分布均匀的光斑，进而使出光面上实现平面光谱分布均匀。再经出光面处的放置物对辐射光进一步充分散射混合后，最终在接收面上实现平面光谱分布均匀。

本文制作了两款直下式LED黄疸灯样品，即出光面上放置棱镜膜的直下式LED黄疸灯(样品1)和出光面上放置扩散板的直下式LED黄疸灯(样品2)。在距离黄疸灯410 mm处的600 mm×300 mm接收面上，分别对样品1和样品2的平面光谱分布均匀度和照度均匀度进行实验测量和计算。实验研究表明：样品1和样品2在接收面上都具有超过0.999的平面光谱分布均匀度值，拥有非常均匀的平面光谱分布；样品1和样品2在接收面上的照度均匀度值分别为0.742 4和0.807 1，都远远超过国家标准规定的40%的照度均匀度阈值；样品1和样品2在接收面上的平均照度值分别为1 143.74 lx和786.52 lx，与样品2相比，样品1可将更多的光辐射能量集中在600 mm×300 mm的接收面内。本文研究制作的直下式LED黄疸灯，在接收面上可实现高均匀度的平面光谱分布和照度分布，能充分发挥该黄疸灯对新生儿黄疸病的治疗效果，具有一定的研究意义和参考价值。