[发明专利]LED手术无影灯用透镜的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学元件的设计方法，更具体地说，涉及一种满足LED手术无影灯国际标准要求的无影灯用透镜的设计方法。

背景技术

无影灯是用来照明外科手术部位不可缺少的重要设备。目前手术灯一般都采用环形节能灯或卤素灯，但随着LED技术的不断发展，特别是高亮度白光LED的发展，LED无影灯彻底解决了环形节能灯或卤素灯自身存在的先天缺陷，是环形节能灯或卤素灯的升级换代产品。

手术无影灯要求能以最佳深度和角度观察手术部位，可变光斑比固定光斑更适合手术需求。但通常手术无影灯由于照明深度的问题不适宜调节光斑大小，就算调也是调节范围很小。

目前，国内的无影灯都不具备可变光斑的功能。LED光源作为新兴光源应用于手术无影灯领域，相比传统无影灯可以解决可变光斑的问题。为了实现光斑可变，可以采用调节透镜离开LED的距离的方式，但变化量小，结构上实现难，且要求精度高。或者采用多种透镜分别开启的方式，但势必造成成本高、效率低、且不能无级调节。同时，按照LED无影灯国际标准中的要求，在光斑变化过程中，应该满足在照度为中心照度的1/2和1/10、离开光源距离1m处的光斑直径的大小D50和D10之间满足标准D50≥c*D10的要求,c为可变系数且0.5≤c≤1。

本申请人在申请号为201210165923.3的中国发明专利申请中，公开了一种可变光斑LED手术无影灯的总体光学设计方法。应用该方法可以提供满足国际标准要求的可变光斑LED手术无影灯中单个透镜的最佳光强分布。

在得出无影灯中使用的单个透镜的最佳光强分布以后，用什么样的方法能够有效设计出该透镜的形状，依然是一个尚待解决的问题。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种LED手术无影灯用透镜的设计方法，该方法通过简单、直观的设计步骤，得到满足国际标准要求的LED手术无影灯用的透镜，光线利用率很高，适用于各种类型的LED光源。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

    LED手术无影灯用透镜的设计方法，所述透镜是由五个面组成的旋转对称体，分别是依次相接的第一入射面、第二入射面、第三全反射面、第二出射面和第一出射面，其设计步骤如下：

1）、在任一过光源光轴的截面上，以光轴为一角边，以位于光轴单侧90度范围内的截面为旋转截面，将被照面与该旋转截面的交线段，即被照面在该旋转截面上的光斑大小按照透镜的尺寸要求划分成光线经第一出射面后形成的A段以及光线经第二出射面后形成的B段；且，A段的照度分布与B段的照度分布的叠加为整体透镜的照度分布，所述整体透镜的照度分布满足LED手术无影灯国际标准要求“在照度为中心照度的1/2和1/10、离开光源距离1m处的光斑直径的大小D50和D10之间满足D50≥c*D10的要求,其中c为可变系数且0.5≤c≤1”；

其中，第一入射面和第一出射面的设计步骤如下：

a)、在上述旋转截面上，按照所使用的LED裸芯片尺寸以及所述被照面上A段的尺寸，根据SMS方法（simultaneous multiple surface，多表面同时计算）设计出透镜的第一入射面和第一出射面在所述旋转截面上的截面；

b)、若所使用的光源是LED裸芯片封装体，则需要对步骤a）中得出的第一入射面和第一出射面的形状进行修正，修正方法是：通过光线追迹法,根据所述LED裸芯片以及所述LED裸芯片封装体的光线参数，得出两者在被照面上形成的光斑大小的比例常数，该比例常数也为LED裸芯片与LED封装体分别在被照面上形成的光斑大小的比例，根据上述LED裸芯片形成的被照面上A段的尺寸，从而得出所述LED封装体所对应的被照面上光斑的大小，使用SMS设计方法对步骤a）中得出的第一入射面和第一出射面的截面形状进行优化和修正；

第二入射面的设计步骤如下：

c）、在所述旋转截面上，以光源到第一入射面和第二入射面的交点的连线为一角边，以垂直于光轴的直线为另一角边，该角即为光源入射到第二入射面上的发光角，将该发光角按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等；

d)、在所述旋转截面上，将被照面上的B段划分成多个与所述小角一一对应的小段，调整各小段的长度使其与光源到该小段上被照点的距离的平方成反比，与照度成正比；