一款輕型的LED醫(yī)用頭燈的光學(xué)設(shè)計(jì)

李 瀾，戎皓晟，王鳳超，居家奇，鄒 軍，孫富兵

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)理學(xué)院，上海 201418)

引言

半導(dǎo)體照明燈具因其具有高效、節(jié)能、穩(wěn)定、環(huán)保及超長壽命等特點(diǎn)，已經(jīng)在各領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用[1]。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，光源質(zhì)量的不斷提高，LED已經(jīng)逐漸應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域從而取代傳統(tǒng)的照明光源，如手術(shù)無影燈、醫(yī)用頭燈、光固化燈、熒光顯微燈等。其中，醫(yī)用頭燈常用于五官科、普外科、腦外科等各種檢查和手術(shù)過程中作為輔助或定向照明，因其使用的特殊性，要求具有攜帶方便、定向照明和高亮度等特點(diǎn)，特別是對(duì)患者深層狹窄部位進(jìn)行檢查時(shí)，要求點(diǎn)光源和醫(yī)生的視線處在同一角度[2，3]。而傳統(tǒng)的頭燈由白熾燈泡或鹵素?zé)襞萏峁┕庠?，具有重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損壞、高功耗、高傳導(dǎo)損耗、壽命短、維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜等缺點(diǎn)[3，4]。為了克服傳統(tǒng)光源的諸多缺點(diǎn)，目前醫(yī)用頭燈設(shè)計(jì)開發(fā)過程中多采用LED光源，這就需要對(duì)頭燈機(jī)械結(jié)構(gòu)、勻光系統(tǒng)、散熱部件等進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳照明效果[5，6]。

基于上述情況，我們?cè)O(shè)計(jì)一款新型醫(yī)用頭燈，采用大功率LED為光源，以四片透鏡作為勻光系統(tǒng)，頭燈外觀結(jié)構(gòu)都采用塑料材質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)熱器件也選擇了合適的導(dǎo)熱塑料，使得整個(gè)頭燈重量減輕，佩戴輕松舒適，又不影響其散熱效果。對(duì)頭燈光學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加光闌旋鈕，不僅使得整個(gè)頭燈聚光效果好，而且能夠滿足深度清晰照明的需要，以及不同醫(yī)療條件下輔助照明的要求。

1 新型頭燈的外觀結(jié)構(gòu)

LED醫(yī)用頭燈的結(jié)構(gòu)，主要由LED光源、鏡筒、散熱器、充電器等部分組成。在本醫(yī)用頭燈的設(shè)計(jì)中，整個(gè)頭燈外觀結(jié)構(gòu)全部采用了塑料外殼設(shè)計(jì)，并將常用的金屬鋁LED光源散熱材料更換為導(dǎo)熱塑料(WH-278)，新設(shè)計(jì)的醫(yī)用頭燈滿足LED光源的散熱要求，而整燈重量比用金屬鋁作為散熱器減輕了1/3，佩戴時(shí)間較長時(shí)，也不會(huì)給醫(yī)務(wù)人員造成頭腦壓迫，佩戴體驗(yàn)更為舒適。引入的調(diào)節(jié)旋鈕，醫(yī)務(wù)人員可以通過小小的調(diào)節(jié)旋鈕，改變光闌孔徑的大小，便可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)頭燈光斑大小的需要，同時(shí)也能對(duì)光斑亮度進(jìn)行微調(diào)節(jié)。

我們將LED醫(yī)用頭燈的主體設(shè)計(jì)成圓柱體，如圖1中頭燈的外觀結(jié)構(gòu)所示。圖1中給出了沿著主光軸放置的四部分結(jié)構(gòu)，分別是透鏡套筒、調(diào)節(jié)旋鈕、LED光源及基板和散熱底座。其中，透鏡套筒用來放置所設(shè)計(jì)的四片同軸透鏡，組成主要的勻光系統(tǒng)。而帶有螺紋的調(diào)節(jié)旋鈕，通過旋轉(zhuǎn)本旋鈕，可以改變內(nèi)置的光闌開口，達(dá)到實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)光斑大小的功能。對(duì)于LED光源及基板，與鏡筒是同軸設(shè)計(jì)。最后面的LED光源散熱底座，由常用的金屬鋁更換為導(dǎo)熱系數(shù)較高、更輕質(zhì)的導(dǎo)熱塑料。將圖中的四個(gè)部件順次裝配，并安裝上四片透鏡組成的勻光系統(tǒng)，再加外置的電源，就組成了我們?cè)O(shè)計(jì)的LED醫(yī)用頭燈。

圖1 頭燈的外觀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of medical headlamp

2 勻光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

新型醫(yī)用頭燈的光源，需要發(fā)出有很強(qiáng)指向性的光，我們將使用Cree大功率LED光源。整個(gè)勻光系統(tǒng)，由四片K9玻璃材質(zhì)(公司指定玻璃型號(hào))的透鏡組成，如圖2為其 2D示意圖(由光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX導(dǎo)出)。編號(hào)為A的第一片透鏡是擴(kuò)束鏡，擴(kuò)束鏡緊靠LED光源，兩者之間的裝配距離在1 mm以內(nèi)。設(shè)置擴(kuò)束鏡的合理曲率半徑和厚度，使得從LED光源出來的光均勻擴(kuò)散到整個(gè)鏡筒中。擴(kuò)束鏡后面是可調(diào)節(jié)光闌，通過旋轉(zhuǎn)頭燈的調(diào)節(jié)旋鈕(見圖1)，可以調(diào)節(jié)光闌的開口大小，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)光斑大小和光斑亮度微調(diào)的功能。圖2中編號(hào)為B、C、D的三片透鏡均為比較薄的凸透鏡(厚度小于2.5 mm)，這三片透鏡間距小于2 mm，組合形成的透鏡組主要起到勻光的作用，其孔徑的大小和圖1的機(jī)械結(jié)構(gòu)相匹配。為了使得頭燈系統(tǒng)更輕便，試圖減小四片透鏡的總長度，用ZEMAX軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，將四片透鏡間距、透鏡厚度多個(gè)相關(guān)參數(shù)設(shè)置為變量，其它參數(shù)不變，經(jīng)過長時(shí)間的優(yōu)化計(jì)算，發(fā)現(xiàn)圖2所示的四片透鏡的總長度為目前勻光系統(tǒng)的最短長度。所以，整個(gè)頭燈的長度為25 cm。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)2D示意圖Fig.2 2D view of the optical system

用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX，模擬了通過四片透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)的光斑圖，來進(jìn)行LED光源篩選。最后，我們確定光源使用Cree XPG系列的LED光源，在距圖2中最后一片透鏡(凸透鏡D)40 cm處的探測器上，得到模擬的光斑圖如圖3所示。從圖3中可以看出，得到的圓形光斑均勻，模擬結(jié)果可以定性地說明勻光系統(tǒng)能夠起到很好的勻光效果，所選取的Cree XPG的 LED光源，能夠滿足醫(yī)用頭燈的基本照明要求，所設(shè)計(jì)的四片K9玻璃材質(zhì)的勻光透鏡系統(tǒng)，能夠起到良好的勻光效果。

圖3 40 cm處模擬的光斑圖Fig.3 The simulating spot diagram at 40 cm

為了檢驗(yàn)我們?cè)O(shè)計(jì)的LED頭燈的光學(xué)性能，對(duì)打樣的醫(yī)用頭燈，用Radiant SIG-400光源近場模擬測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，得到距離最后一片透鏡40 cm處的照度圖(圖4)。從圖4中可以看出，由LED光源出發(fā)的光，經(jīng)透鏡組后，在40 cm的平面上，其光斑均勻性和照度可以滿足本醫(yī)用頭燈照明的需要。因此，本次設(shè)計(jì)的四片透鏡組成勻光系統(tǒng)的勻光效果，以及整燈的結(jié)構(gòu)達(dá)到了醫(yī)用頭燈的設(shè)計(jì)要求。

圖4 40 cm處的照度圖Fig.4 The illumination map at 40 cm

3 結(jié)論

我們?cè)O(shè)計(jì)了一款新型的便攜式LED醫(yī)用頭燈，主要對(duì)其勻光系統(tǒng)進(jìn)行了光學(xué)設(shè)計(jì)，該勻光系統(tǒng)由四片K9玻璃透鏡組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)LED光源的擴(kuò)展和勻光。對(duì)樣品的光分布進(jìn)行測量，在距離頭燈40 cm的屏上得到了直徑不小于8 cm的圓形光斑，這符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，其光斑的亮度滿足本款醫(yī)用頭燈的使用要求。樣品測試和模擬的結(jié)果，讓我們獲得了初始結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)，為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)LED醫(yī)用頭燈提供參考。