一款輕型的LED醫用頭燈的光學設計

李 瀾，戎皓晟，王鳳超，居家奇，鄒 軍，孫富兵

(上海應用技術大學理學院，上海 201418)

引言

半導體照明燈具因其具有高效、節能、穩定、環保及超長壽命等特點，已經在各領域得到了廣泛地應用[1]。隨著LED技術的不斷發展，光源質量的不斷提高，LED已經逐漸應用在醫學領域從而取代傳統的照明光源，如手術無影燈、醫用頭燈、光固化燈、熒光顯微燈等。其中，醫用頭燈常用于五官科、普外科、腦外科等各種檢查和手術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，特別是對患者深層狹窄部位進行檢查時，要求點光源和醫生的視線處在同一角度[2，3]。而傳統的頭燈由白熾燈泡或鹵素燈泡提供光源，具有重量大、結構復雜、易損壞、高功耗、高傳導損耗、壽命短、維護保養復雜等缺點[3，4]。為了克服傳統光源的諸多缺點，目前醫用頭燈設計開發過程中多采用LED光源，這就需要對頭燈機械結構、勻光系統、散熱部件等進行重新設計，以達到最佳照明效果[5，6]。

基于上述情況，我們設計一款新型醫用頭燈，采用大功率LED為光源，以四片透鏡作為勻光系統，頭燈外觀結構都采用塑料材質進行設計，導熱器件也選擇了合適的導熱塑料，使得整個頭燈重量減輕，佩戴輕松舒適，又不影響其散熱效果。對頭燈光學系統的進一步優化設計，增加光闌旋鈕，不僅使得整個頭燈聚光效果好，而且能夠滿足深度清晰照明的需要，以及不同醫療條件下輔助照明的要求。

1 新型頭燈的外觀結構

LED醫用頭燈的結構，主要由LED光源、鏡筒、散熱器、充電器等部分組成。在本醫用頭燈的設計中，整個頭燈外觀結構全部采用了塑料外殼設計，并將常用的金屬鋁LED光源散熱材料更換為導熱塑料(WH-278)，新設計的醫用頭燈滿足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，佩戴時間較長時，也不會給醫務人員造成頭腦壓迫，佩戴體驗更為舒適。引入的調節旋鈕，醫務人員可以通過小小的調節旋鈕，改變光闌孔徑的大小，便可實現調節頭燈光斑大小的需要，同時也能對光斑亮度進行微調節。

我們將LED醫用頭燈的主體設計成圓柱體，如圖1中頭燈的外觀結構所示。圖1中給出了沿著主光軸放置的四部分結構，分別是透鏡套筒、調節旋鈕、LED光源及基板和散熱底座。其中，透鏡套筒用來放置所設計的四片同軸透鏡，組成主要的勻光系統。而帶有螺紋的調節旋鈕，通過旋轉本旋鈕，可以改變內置的光闌開口，達到實現調節光斑大小的功能。對于LED光源及基板，與鏡筒是同軸設計。最后面的LED光源散熱底座，由常用的金屬鋁更換為導熱系數較高、更輕質的導熱塑料。將圖中的四個部件順次裝配，并安裝上四片透鏡組成的勻光系統，再加外置的電源，就組成了我們設計的LED醫用頭燈。

圖1 頭燈的外觀結構示意圖Fig.1 Structure of medical headlamp

2 勻光系統的設計

新型醫用頭燈的光源，需要發出有很強指向性的光，我們將使用Cree大功率LED光源。整個勻光系統，由四片K9玻璃材質(公司指定玻璃型號)的透鏡組成，如圖2為其 2D示意圖(由光學設計軟件ZEMAX導出)。編號為A的第一片透鏡是擴束鏡，擴束鏡緊靠LED光源，兩者之間的裝配距離在1 mm以內。設置擴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散到整個鏡筒中。擴束鏡后面是可調節光闌，通過旋轉頭燈的調節旋鈕(見圖1)，可以調節光闌的開口大小，實現調節光斑大小和光斑亮度微調的功能。圖2中編號為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的機械結構相匹配。為了使得頭燈系統更輕便，試圖減小四片透鏡的總長度，用ZEMAX軟件進行結構參數的優化，將四片透鏡間距、透鏡厚度多個相關參數設置為變量，其它參數不變，經過長時間的優化計算，發現圖2所示的四片透鏡的總長度為目前勻光系統的最短長度。所以，整個頭燈的長度為25 cm。

圖2 光學系統2D示意圖Fig.2 2D view of the optical system

用光學設計軟件ZEMAX，模擬了通過四片透鏡組成的光學系統的光斑圖，來進行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，模擬結果可以定性地說明勻光系統能夠起到很好的勻光效果，所選取的Cree XPG的 LED光源，能夠滿足醫用頭燈的基本照明要求，所設計的四片K9玻璃材質的勻光透鏡系統，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

為了檢驗我們設計的LED頭燈的光學性能，對打樣的醫用頭燈，用Radiant SIG-400光源近場模擬測試系統進行測試，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光源出發的光，經透鏡組后，在40 cm的平面上，其光斑均勻性和照度可以滿足本醫用頭燈照明的需要。因此，本次設計的四片透鏡組成勻光系統的勻光效果，以及整燈的結構達到了醫用頭燈的設計要求。

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

3 結論

我們設計了一款新型的便攜式LED醫用頭燈，主要對其勻光系統進行了光學設計，該勻光系統由四片K9玻璃透鏡組成，能夠實現對LED光源的擴展和勻光。對樣品的光分布進行測量，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，這符合設計目標，其光斑的亮度滿足本款醫用頭燈的使用要求。樣品測試和模擬的結果，讓我們獲得了初始結構和數據，為后續進一步優化設計LED醫用頭燈提供參考。