手術燈用調色溫顯色隔熱濾光片的設計

曹軼，趙帥鋒，王銀河，陰曉俊，王忠連，安偉國

沈陽儀表科學研究院，遼寧 沈陽 110043

0 前言

手術無影燈是手術室中的關鍵設備之一，其質量和性能對手術質量有直接的影響。手術燈源發射的光經濾光片透射后，由非球面多棱面反射鏡反射，在燈盤下80～110cm的手術區形成一個同源光柱，光柱內的手術區具有優異的無影效果和亮度適當、視覺柔和及顏色清晰的視覺效果。手術燈根據光源及結構分類，有鹵素光源手術燈、LED手術燈等。在鹵素光源手術燈中，手術燈系統需在采用濾光片的同時實現隔熱、色溫調整、高顯色調整等光學功能[1-2]。本文介紹該濾光片的設計與制備。

1 手術燈的色溫、顯色指數及隔熱性能的技術要求

手術燈的結構示意圖，見圖1，所用光源是鹵素光源，6片濾光片組合成一個6面柱狀燈罩，燈泡置于其中，光經曲面反射鏡反射后再形成出射光柱。鹵素光源的色溫為2900～3200K，其發射光譜，見圖2，既有有用的可見光，也有紅外的熱輻射，熱輻射將對手術中的醫生與病人造成不利影響，需要隔絕熱量照射到手術區。3000K左右的色溫的鹵素燈發射光，其在人的眼視覺中是暖黃色的，顯色性也很低，會降低手術醫生對手術視野中的病人的器官、血管等的視覺清晰度與分辨力。因此，在鹵素光源外，需要加上隔熱濾光鏡，將鹵素燈發出光的色溫調整到（4200±150）K，顯色指數調整到＞92，紅外熱量隔離＞99% ，接近日光，使眼睛感知的顏色更清晰，利于醫生快速有效地分辨傷口部位的組織，并且不會使醫護人員因長時間手術工作而眼睛疲勞。

有的手術燈濾光片只用未鍍膜的隔熱玻璃，其光譜見圖3。模擬計算該手術燈系統的色溫與顯色指數，見表1。可以看到，色溫與顯色指數都達不到要求。因此，需在隔熱玻璃上鍍制多層干涉薄膜，實現光譜調制，以達到色溫與顯色指數的要求。

圖1 手術燈結構示意圖

圖3 未鍍膜隔熱玻璃光譜

表1 采用未鍍膜隔熱玻璃手術燈系統的色溫與顯色指數計算結果

2 手術燈系統色溫與顯色指數的模擬計算

為模擬分析手術燈的色溫與顯色指數，開發了手術燈色溫與顯色指數的模擬計算軟件，軟件顯示界面，見圖4。其算法如下：手術燈的出射光顏色刺激函數φ（λ）與鹵素光源相對光譜功率分布S(λ)及濾光片的透射特性τ(λ)關系，見式(1)。利用近似積分算法計算出射光的3個刺激值及色度坐標，采用三角插值算法計算獲得的色溫。顯色指數按照CIE13.3-1995光源顯色性規定進行計算[3-4]，見式(2)。

△Ei為參照光源和測試光源透射濾光片后光照下樣品的色差。

圖4 手術燈色溫顯色指數模擬計算軟件界面

3 鍍多層干涉膜的隔熱濾光片設計與優化

3.1 初始光譜設計

手術燈濾光片的隔熱性能主要利用基片在紅外波段的吸收性能，波段在750～900 nm，設計鍍制多層干涉薄膜反射，提高隔熱性能。采用以上設計濾光片的手術燈在800～3000 nm波段范圍內的熱量隔離＞99%，即透射＜1% ，隔熱性能分析，見圖5。

圖5 隔熱性能

手術燈的色溫調整目標是將鹵素燈的3000K色溫提升到4200K。以上兩種不同色溫黑體輻射能量的光譜分布E4200(λ)、E3000(λ)，可根據式(3)計算，獲得初始設計的調色溫濾光片的透射率要求 ，光譜透射曲線，見圖6。

經模擬計算軟件計算，采用以上初始光譜設計的濾光片的手術燈的色溫與顯色指數計算結果，見表2。可見，采用以上初始設計濾光片的手術燈，其色溫與顯色指數都很好。從圖6可以看到，采用初始設計光譜濾光片的手術燈，由于濾光片透射光譜在可見光范圍內整體透射率較低，手術燈的光效利用率不高[5]，濾光片光譜需要進行進一步優化設計。

表2 優化色溫設計的濾光片的色溫與顯色指數模擬計算結果

3.2 手術燈濾光片光譜的優化設計

以上初始設計雖然色溫滿足要求，但在人眼敏感的500～530 nm光譜范圍見圖7，光透射降低較多，會大大降低手術燈的亮度，需要進行優化設計。優化設計的基本方法是保持530 nm以下高透射，調整長波的各波長位置的透射率[6-7]，優化設計后的濾光片光譜，見圖8。采用以上濾光片手術燈的色溫與顯色指數模擬計算結果，見表3，色溫與顯色指數都達到了設計要求。

表3 色溫與顯色指數模擬計算結果

結合人眼的視覺函數V(λ)[8-9]、優化設計光譜及理論光譜計算出射光效率，見公式(4)。采用以上兩種不同濾光片的手術燈出射光的綜合光利用效率，見圖9。

圖9 優化濾光片與初始濾光片光譜及手術燈光效率對比

計算結果表明，相比與初始設計，優化設計光譜的濾光片手術燈光利用效率提升了93.6%[10-11]。用Essential Macleod軟件設計了以上光譜的多層光學薄膜膜系，材料為TiO2/SiO2，設計結果為40層，都是非規整厚度膜層，可以達到以上光譜要求。

3.3 針對寬角度入射的模擬計算

濾光片在手術燈中應用的光入射角為0～30°范圍，因此需要計算濾光片在此范圍內手術燈的色溫與顯色指數。優化光譜膜系在0～30°不同入射角度的透射光譜，見圖10；不同入射角的色溫顯色指數計算結果，見表4（符合設計要求）。

圖10 入射角為0～30°的入射光譜

表4 0°～30°入射光的色溫顯色指數模擬結果

4 濾光片鍍膜制備與手術燈應用

采用Optorun 的OTFC1300鍍制了優化光譜的手術燈濾光片，該設備配置多點間接光控系統和大功率離子源，可以實現非規整膜系的鍍制，連續5次（重復性良好）鍍制的濾光片光譜，見圖11。

該光譜濾光片在手術燈上獲得了應用，并進行了手術燈應用系統的測試，測試結果達到了色溫（4200±150）K，顯色指數＞92，隔熱系數＞99%的技術要求。

5 結束語

在手術燈中應用隔熱玻璃基底上鍍制優化設計光譜的多層光學薄膜濾光片，可實現色溫（4200±150）K，顯色指數＞92，隔熱＞99%的光學性能。針對人眼視覺函數優化設計濾光片光譜，可使手術燈在提高隔熱、顯色性能的同時，提高光利用效率，與未對視覺函數優化的初始設計濾光片的手術燈比較，提高光利用效率達93.6 %。

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