CN102661534B - Led二次反射及igbt控制驱动 - Google Patents
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Abstract
本实用信息涉及一种LED二次反射及IGBT控制驱动，通过LED混色技术或白光技术和二次光学反射结合，用于无影灯的显色，其中，所述的LED混色技术为：将用微处理器对比例关系作即时调整的不同数量的红色、绿色、白色、黄色的LED按序排列，通过光学透镜聚焦，整合成接近平行的光谱，再通过二次光学反射，对这四种基色的LED进行混色，同时，采用IGBT控制驱动，在出光方向安装一传感器，并通过反馈电路对LED电流进行控制；或者，所述的白光技术为：将色温限制在4000～4500K之间的单色白光LED按序排列，通过光学透镜聚焦，整合成接近平行的光谱，再通过二次光学反射。本发明优越性在于：显色指数高，颜色失真少，无污染，温度低，电耗少，寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及LED二次反射及IGBT控制驱动，用在医疗无影灯中，作为手术中的照明使用，采用LED作为光源，通过白光技术或混色技术可得到所需的色温和显色指数，满足使用需求。
背景技术
手术无影灯是医院手术室常规和必备设备，使用手术无影灯是众多外科、内科手术中必须的工作条件和前提。目前医院手术室内所使用的无影灯是由卤素灯泡构成灯头整体。它存在着很多设计和应用上的缺点，如温度过高、中心光斑处亮度不均匀、功率大、色差较大、色彩逼真度无技术要求、活动范围小、不宜在高要求的净化手术室使用，灯泡容易坏，需要频繁更换等，使得手术质量受到很大的影响。
因此，为了满足市场的需求，紧跟时代的步伐， 越来越多的厂家开发LED手术无影灯。LED光源节能效果显著，能达到相同亮度的能耗仅为普通白炽灯的1/10，卤素灯的1/2；LED灯泡寿命比卤素灯长，是传统的卤素灯的数十倍；产生的热量少，发出的光不含红外、紫外成分，没有辐射的污染，缓解医生长时间工作的疲劳，改善医生工作环境。
但是LED无影灯最大的问题就是在显色性和发光效率寻求平衡点，目前一般的LED无影灯都无法很好地使这两者达到很好的平衡，得到所需要的色温和显色指数，为了满足显色性，就必须要牺牲发光效率。显色性与发光效率是一对矛盾体，如何在其中寻求平衡点就是本发明的意义所在。
首先必须解决LED的显色指数问题。LED由于是单色光源，所以显色指数非常地低。所谓显色指数，是衡量照明设备所提供的光束真实反映被照物体的色彩的能力。光源显现被照物体颜色的性能称为光源的显色性。同一颜色的物体，在具有不同光谱分布的光源照射下显出不同的颜色。手术时所需的光，必须能真实映现血液及身体内部器官组织的颜色及其变化。医生借助这些光源，不仅要能正确看清各种组织的颜色，而且必须能清楚地判别这些组织的异常。在不同显色指数下看到的血液颜色是有差异的。物体颜色失真大小由光源的显色性决定。显色指数高，颜色失真少，即光源的显色性好；而显色指数越低，失真就越严重，即光源的显色性不好。
但是无影灯对显色指数要求很高。手术灯无影灯的光线必须具有优良的显色指数。所以要采用LED作为无影灯灯具的光源，首先必须解决的是提高LED的出光显色指数。
发明内容
本发明所要解决的问题在于LED二次反射及IGBT控制驱动，通过LED混色技术和二次反射或白光技术和二次反射技术结合，在满足LED无影灯显色性的同时，提高发光效率。
本发明所要解决通过下述技术方案实现：本发明一种LED二次反射及IGBT控制驱动，通过LED混色技术或白光技术和二次光学反射结合，用于无影灯的显色，其中，
1) 所述的LED混色技术为：将用微处理器对比例关系作即时调整的不同数量的红色、绿色、白色、黄色的LED按序排列，通过光学透镜聚焦，整合成接近平行的光谱，再通过二次光学反射，对这四种基色的LED进行混色，最终在离无影灯出光面1米距离下，形成一个直径为220mm+/-20mm光斑，光斑中心额定光强Ec不小于140，000lux以上，同时，采用IGBT控制驱动，在出光方向安装一传感器，传感器采集LED的混光，将信息传输到CPU，CPU进行信息处理，再反馈到IGBT驱动电路，然后对LED电流进行控制，使得光输出的显色指数不小于92%；或者，
2) 所述的白光技术为：将色温限制在4000～4500K之间的单色白光LED按序排列，通过光学透镜聚焦，整合成接近平行的光谱，再通过二次光学反射，最终在离无影灯出光面1米距离下，形成一个直径为220mm+/-20mm光斑，光斑中心额定光强Ec不小于140，000lux，光输出的显色指数不小于92%。
本发明在解决LED的显色指数方面，取得了非常完美的成果。满足了对光的柔和度的要求。
利用IGBT技术，还能实现对无影灯色温的调节。用IGBT驱动电路，对LED电流进行调整，用于无影灯的色温调节。
然而，采用了光的二次反射，虽然在解决光的显色性方面效果极佳，但是却损失了大量的光效。显色性和发光效率本身就是一对矛盾体，为了满足显色性，有时必须以牺牲发光效率为代价。但是在LED无影灯中发光效率也是极为重要的一部分，否则采用LED作为照明光源达到减排减碳就会变得毫无意义。因此，采用双面非球面透镜，取代多块叠加的单面的球面透镜，使所有的光束得到有效整合。克服了光损耗大的技术难题。通过二次反射技术及非球面的透镜技术，使所产生的光柔和，没有炫目，在满足LED无影灯显色性的同时，使发光效率达到最优。
在上述方案基础上，所述的光学透镜采用环状非球面双面透镜，取代多块叠加的单面的球面透镜，在一组由环状非球面透镜所形成的锥形反光器中安置高光效的反射镜面，光经引导折射后，最终再经反光罩作第二次折射。
所述的LED光源依此排列在基板上，通过锥形反光器聚光后，经过两次反射，最后通过反光罩，形成一个光斑，其规格为：220mm±20mm。
所述的传感器为光传感器，采集LED的混色光，将信息传输到CPU，CPU进行信息处理，再反馈到IGBT驱动电路，对LED电流进行调整，最后输出的光达到色温可调，色温可无级调或分四档调节，如：3800K、4200K、4500K、4800K，调节精度+/-100K。
若为白色LED，则无需对色温进行调整，但必须将使用的白色LED的色温限制在（4000-4500K）之间。
本发明利用上述技术方案制成无影灯，自上而下依序由反光罩盖、固定在反光罩盖上的散热器、反光板、支架、通过支架固定的锥形反光器、固定于LED基板上的LED，无影灯底部为平板玻璃，通过罩环将平板玻璃、反光板、反光罩盖固定为一体形成反光罩。
所述散热器由底座、均布在底座四周并与底座相连的导热管、连在导热管端部的侧页构成。
在上述方案基础上，所述的固定于基板上的LED排布密度为 为20～60颗/24mm2，基板至反光板之间的距离为 10～30 mm。
本发明的有益效果是：
1、现在市场上的LED无影灯采用“满天星”的方式，在反光罩上布满五颜六色的LED，很不雅观，最大的问题是光不够柔和，并会产生炫目。通过LED混色技术和二次反射技术或白光技术和二次反射技术，光不但柔和而且符合医疗条件，医生在做手术的时候，让医生没有炫目感。二次反射可以将所有的光收集起来，聚集在一起，周围没有任何的光污染。
2、显色指数高，颜色失真少，显色指数可以达到92%以上。医生在进行手术时，光束能够真实映现血液、组织的颜色及其变化。不仅能看清血液的颜色，而且能清楚地判别血液颜色的变化及组织的变化。
3、温度低。照度的提高，必然会引起灯体和光束温度的提高，这将影响医生头部和手术部位组织的温度，从而影响手术效率和手术质量。采用LED光源，彻底解决了此问题的发生。
4、经济性。采用LED的无影灯电耗少，寿命长，没有污染。
附图说明
图1本发明光学原理图；
图2本发明LED灯光聚焦后的效果示意图；
图3 IGBT驱动原理图；
图4光的采集及测试图；
图5实测光的分布情况图；
图6锥形反光器、支架、LED灯板的分解示意图；
图7去掉LED灯板下的铝板，直接与散热器机构连接；
图8为由底座、侧页和导热管构成的散热器结构示意图；
图9无影灯结构分解示意图；
图10为中心照度测试方法示意图；
图11为照度深度测试方法示意图；
图12采用一个挡板的照度测试方法示意图；
图13采用二个挡板的照度测试方法示意图；
图14采用二个挡板在四个不同位置的照度测试方法示意图；
图15散热器中侧页通过导热管与基座连接的实施例图；
图16LED发光引擎的实施例图；
图中标号：
1—基板； 2—环状非球面透镜； 3—反光板；
4—散热器； 41—基座； 42—导热管；
43—侧页； 44—罩盖；
5—支架； 6—锥形反光器； 7—平板玻璃；
8—罩环； 9—LED灯板。
具体实施方式
实施例1
本发明涉及的一种LED二次反射及IGBT控制驱动，通过LED混色技术或白光技术和二次光学反射结合，用于无影灯的显色，其中，
所述的LED混色技术为：将用微处理器对比例关系作即时调整的不同数量的红色、绿色、白色、黄色的LED按序排列，通过光学透镜聚焦，整合成接近平行的光谱，再通过二次光学反射，对这四种基色的LED进行混色，最终在离无影灯出光面1米距离下，形成一个直径为220mm+/-20mm光斑，光斑中心额定光强Ec为140，000lux以上，
如图3 IGBT驱动原理图所示，采用IGBT控制驱动，在出光方向安装一光传感器，光传感器采集LED的混光，将信息传输到CPU，CPU进行信息处理，再反馈到IGBT驱动电路，对LED电流进行相应调整，使得光输出的显色指数不小于92%，使输出的光达到设定的要求。
通过IGBT驱动电路对LED电流进行控制，使得光输出的显色指数不小于92%。
如图1光学原理图所示：LED依此排列在基板1上，通过一组环状非球面透镜2，聚光后经过两次反射，最后通过反光板3，形成一个光斑，其光斑规格为：220mm±20mm。
如图2本发明LED灯光聚焦后的效果示意图所示，光学模拟得出的本发明通过LED光源及一系列光学设计后达到的无影灯光聚焦后效果。图4光的采集及测试图和图5实测光的分布情况图。
如图6锥形反光器、支架、LED灯板的分解示意图、图8为由底座、侧页和导热管构成的散热器结构示意图和图9无影灯结构分解示意图所示，提供一种无影灯，由红色、绿色、白色、黄色混光的LED光源49颗/24mm2依此排列在基板1上形成LED灯板9，通过一组环状非球面透镜2，聚光后经过两次反射，最后通过反光板3，形成一个光斑，其规格为：220mm±20mm。所述的固定于LED灯板9上的LED数量为20～60颗/24mm2，LED灯板9至反光板3之间的距离为10mm～30mm。
其中，所述的传感器为光传感器，采集LED的混色光，将信息传输到CPU，CPU进行信息处理，再反馈到IGBT驱动电路，对LED电流进行调整，单颗LED输入550Ma/3.5V，最后输出的光达到色温分四档可调：3800K、4200K、4500K、4800K（调节精度+/-100K）。
图4光的采集及测试图，dmean=(d1+d2+d3+d4)/4和图5实测光的分布情况图,为相对照度Ec=10%和Ec=50%的位置。
如图8所示，所述散热器4由底座41、均布在底座41四周并与底座41相连的导热管42、连在导热管42端部的侧页43构成，固定在罩盖44上。图15为散热器中侧页通过导热管与基座连接的实施例图，该图中体现了散热片侧页的分布结构。
如图9所示，无影灯自上而下依序由罩盖44、固定在罩盖44上的散热器4、反光板3、支架5、通过支架5固定的锥形反光器6、无影灯底部为平板玻璃7，通过罩环8将平板玻璃7、反光板3、罩盖44固定为一体形成带散热器的反光罩。
具体测试方法如图10为中心照度测试方法示意图；图11为照度深度测试方法示意图；图12采用一个挡板的照度测试方法示意图；图13采用二个挡板的照度测试方法示意图；图14采用二个挡板在四个不同位置的照度测试方法示意图。
图16为LED发光引擎的实施例图。
本实施例无影灯适用于大型医院手术用灯
其中LED焊料达88℃，LED连接点108℃
本发明所包含的各项技术参数：
实施例2
其他均与实施例1相同，只是如图7所示，为去掉LED灯板下的铝板，直接与散热器机构连接。
实施例3
与实施例2结构相同，LED为单色白光，将色温限制在4000～4500K之间的单色白光LED按序排列，通过光学透镜聚焦，整合成接近平行的光谱，再通过二次光学反射，最终在离无影灯出光面1米距离下，形成一个直径为220mm+/-20mm光斑，光斑中心额定光强Ec不小于140，000lux，光输出的显色指数不小于92%。
若为白色LED，则无需对色温进行调整，但必须将使用的白色LED的色温限制在（4000-4500K）之间。因此价格较实施例1和实施例2的更低廉，适用于基础设备较差、资金不足的医院使用。
Claims (8)
1.一种用于LED二次反射及IGBT控制驱动的方法，通过LED混色技术或白光技术和二次光学反射结合，用于无影灯的显色，其特征在于，
1) 所述的LED混色技术为：将用微处理器对比例关系作即时调整的不同数量的红色、绿色、白色、黄色的LED按序排列，通过光学透镜聚焦，整合成接近平行的光谱，再通过二次光学反射，对这四种基色的LED进行混色，最终在离无影灯出光面1米距离下，形成一个直径为220mm+/-20mm光斑，光斑中心额定光强Ec不小于140，000lux以上，同时，采用IGBT控制驱动，在出光方向安装一传感器，传感器采集LED的混光，将信息传输到微处理器，微处理器进行信息处理，再反馈到IGBT驱动电路，然后对LED电流进行控制，使得光输出的显色指数不小于92%；或者，
2) 所述的白光技术为：将色温限制在4000～4500K之间的单色白光LED按序排列，通过光学透镜聚焦，整合成接近平行的光谱，再通过二次光学反射，最终在离无影灯出光面1米距离下，形成一个直径为220mm+/-20mm光斑，光斑中心额定光强Ec不小于140，000lux，光输出的显色指数不小于92%。
2.根据权利要求1所述的用于LED二次反射及IGBT控制驱动的方法，其特征在于：用IGBT驱动电路，对LED电流进行调整，调节无影灯的色温。
3.根据权利要求1或2所述的用于LED二次反射及IGBT控制驱动的方法，其特征在于：所述的光学透镜采用环状非球面双面透镜，取代多块叠加的单面的球面透镜，在一组由环状非球面透镜所形成的锥形反光器中安置高光效的反射镜面，光经引导折射后，最终再经反光罩作第二次折射。
4.根据权利要求3所述的用于LED二次反射及IGBT控制驱动的方法，其特征在于，LED光源依此排列在基板上，通过锥形反光器聚光后，经过两次反射，最后通过反光罩，形成一个光斑，其规格为：220mm±20mm。
5.根据权利要求1或2所述的用于LED二次反射及IGBT控制驱动的方法，其特征在于，所述的传感器为光传感器，采集LED的混色光，将信息传输到CPU，CPU进行信息处理，再反馈到IGBT驱动电路，对LED电流进行调整，最后输出的光达到色温分四档可调：3800K、4200K、4500K、4800K，调节精度+/-100K。
6.根据权利要求1至5之一所述的用于LED二次反射及IGBT控制驱动的方法制成的无影灯，其特征在于，自上而下依序由反光罩盖、固定在反光罩盖上的散热器、反光板、支架、通过支架固定的锥形反光器、固定于基板上的LED，无影灯底部为平板玻璃，通过罩环将平板玻璃、反光板、反光罩盖固定为一体形成反光罩。
7.根据权利要求6所述的用于LED二次反射及IGBT控制驱动的方法制成的无影灯，其特征在于，所述散热器由底座、均布在底座四周并与底座相连的导热管、连在导热管端部的侧页构成。
8.根据权利要求6用于LED二次反射及IGBT控制驱动的方法制成的无影灯，其特征在于，所述的固定于基板上的LED排布密度为 为20～60颗/24mm2，基板至反光板之间的距离为 10～30mm。
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