CN102661577A - 可变光斑led无影灯的光学设计方法 - Google Patents

可变光斑led无影灯的光学设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可变光斑LED无影灯的光学设计方法，用于在移动外围光源模块以实现光斑变化过程中，始终能够满足无影灯的标准要求，通过构建数学函数来建立单光斑照度分布以及单光斑在叠加和移动过程中随其形状和移动量而变时的总光斑照度分布的数学模型，结合预先设定的照度均匀度、加工工艺以及实际使用要求时的单光斑大小、形状和最大移动量，确定单光斑的照度分布、移动量以及总光斑的可变范围。本发明所提供的设计方法，通过在数学平台上编写光学设计软件，使设计过程简单和方便。

Description

可变光斑LED无影灯的光学设计方法
技术领域
本发明涉及一种无影灯的设计方法，更具体地说，涉及一种光斑大小可以变化的LED无影灯的设计方法。
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自身存在的先天缺陷，是环形节能灯的升级换代产品。
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。
发明内容
本发明为解决上述现有技术中存在的技术问题，提供一种可变光斑LED无影灯的光学设计方法，通过在数学平台上编写光学设计软件，从而使设计过程变得非常简单和方便，满足标准以及实际使用中的要求。
 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
      可变光斑LED无影灯的光学设计方法，该无影灯主要由一个中心光源模块以及外围多个相同的围成圈的光源模块组成，该方法用于在沿径向移动外围光源模块的光斑以实现灯具的总光斑尺寸变化过程中，始终能够满足无影灯国际标准的要求，具体步骤如下：
1）、构建单个光源模块形成的单光斑照度分布的二维数学模型；
在离开光源距离1m处，其照度是中心照度的1/2和1/10处的光斑直径大小分别设为                                                
Figure 840941DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 726989DEST_PATH_IMAGE002
，上述数学模型能够满足无影灯国际标准中
Figure 131163DEST_PATH_IMAGE001
≥c*
Figure 102661DEST_PATH_IMAGE002
的要求,其中c为可变系数，且0.5≤c≤1；
2）、以上述中三个中心位于同一直线的单光斑数学模型来构建三光斑的照度分布数学模型，该数学模型中，三个单光斑通过沿径向移动和叠加来代表无影灯在光斑变化过程中的总照度分布的二维数学模型；
3)、将步骤1）中的中心光源模块光斑的照度分布作为灯具在最小光斑时的照度分布；
4）、用步骤1）、2）的数学模型来计算不同系数c、不同移动量xc时的总光斑的变化；
5）、根据步骤4）中总光斑的变化，确定在满足设定的照度均匀度、加工工艺以及实际使用要求时的单光斑大小
Figure 486369DEST_PATH_IMAGE002
、形状c和沿径向的最大移动量xc，从而得到总光斑尺寸的可变范围。
所述步骤1）中构建单个光源模块的光斑照度分布的二维数学模型的方法是，构建单光斑照度分布函数
Figure 53355DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 67578DEST_PATH_IMAGE004
为所述的单光斑的
Figure 24908DEST_PATH_IMAGE002
。
所述步骤2）中总照度分布的二维数学模型的实现方法是，构建总光斑照度分布函数
Figure 212306DEST_PATH_IMAGE005
，其中，中心光源模块形成的单光斑的
Figure 135263DEST_PATH_IMAGE006
和外围光源模块形成的单光斑的
Figure 824782DEST_PATH_IMAGE007
可以相同或不同。
所述无影灯由一个中心光源模块以及六个围成一圈的外围光源模块组成，且中心光源模块与外围光源模块的发光强度相同。
还包括一验证方法,具体如下：
a）、构建可变光斑无影灯中的多个单光斑照度分布的三维数学模型，采用构建单光斑照度分布函数
Figure 833190DEST_PATH_IMAGE008
来实现，其中
Figure 761963DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 37961DEST_PATH_IMAGE010
， 
Figure 456304DEST_PATH_IMAGE011
、 c分别为所述步骤5）中确定的单光斑的D10和c值，
Figure 624111DEST_PATH_IMAGE012
， 
Figure 917427DEST_PATH_IMAGE013
， 
Figure 549397DEST_PATH_IMAGE014
，
，
Figure 557859DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 890751DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 377227DEST_PATH_IMAGE018
；
b）、将步骤a）中单光斑的照度分布作为灯具在最小光斑时的照度分布；
c）、构建一个中心光源模块和外围光源模块所形成的多个单光斑移动和叠加时的总照度分布的三维数学模型，采用构建多光斑照度分布函数
Figure 856748DEST_PATH_IMAGE019
，其中c和xc为所述步骤5）中确定的单光斑的形状c和最大移动量xc。
d）、根据步骤c）中总光斑的变化，来验证上述确定的b、c和xc的值是否在三维情况下也能够满足设定的照度均匀度、加工工艺、实际使用以及国际标准中的要求。
所述无影灯由一个中心光源模块以及个相同的围成一圈的外围光源模块组成，且中心光源模块与外围光源模块的发光强度不同，满足
Figure 932469DEST_PATH_IMAGE021
，其中为中心光源模块的发光强度，为外围光源模块的发光强度，。
本发明技术方案，由于没有复杂的计算，一般的工程技术人员就可以进行，通过在数学平台上编写光学设计软件，设计就变成了一种非常简单的傻瓜式过程。
本发明设计方法是：对无影灯在调节过程中的总光斑的变化首次用数学模型给以定量的图形描述，并给出单光斑设计要求，调节范围等参数，其特点是：
1 能比较方便地设计出满足国际标准要求的LED无影灯；
 2 设计步骤简单、精确度高；
3 为LED无影灯中透镜的设计提供了单个透镜光强分布的目标设计要求；
4为LED无影灯的设计提供了外围模块移动量、总光斑变化范围等的目标设计要求。
4 既包含设计过程，也包含验证过程，从而使设计结果更具准确可靠。
附图说明
图1是LED无影灯国际照明标准示意图；
图2是实施例一的LED无影灯光源模块分布示意图；
图3是本发明设计方法的流程图；
图4是构建单光斑照度分布的二维数学模型图；
图5是构建由三个单光斑组成的照度分布的二维总数学模型图；
图6是由三个单光斑组成的二维总数学模型中总光斑随单光斑形状c而变的图示；
图7是由三个单光斑组成的二维总数学模型中总光斑随外围光斑移动量xc而变的图示；
图8是由三个最佳单光斑组成的二维总数学模型；
图9是由本发明方法得出的最佳单光斑照度分布的二维光学模型图；
图10是本发明验证方法中构建单光斑照度分布的三维光学模型图；
    图11是三个单光斑在移动量xc=60时的照度分布的三维总数学模型图；
    图12是三个单光斑在移动量xc=80时的照度分布的三维总数学模型图；
    图13是三个单光斑在移动量xc=90时的照度分布的三维总数学模型图。
 具体实施方式
以下通过附图和具体实施例对本发明所提供的设计方法做一详细的描述：
图1是LED无影灯国际照明标准示意图。标准的具体要求是：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。因此，本发明设计方法要求在光斑变化的整个过程中必须始终能偶满足该标准的要求。
图2是一实施例的LED无影灯光源模块分布示意图。该实施例中的LED无影灯是由一个中心光源模块1和六个围成一圈分布的外围光源模块2组成，即一加六等于七的排布方式。为了简化设计以及后期产品的生产加工过程，整个无影灯采用同一种规格的透镜，即，该七个光源模块的光斑大小相同，也即，D10相同，发光强度分布相同。本发明所要实现的光斑可变是通过六个外围光源模块2所形成的单光斑沿径向移动来实现的。因此，为了使模块2所形成的六个单光斑移动过程中不仅要求一直满足上述国际标准的要求，而且能够达到一定的照度均匀度。因此，必须确定在满足设定的照度均匀度、加工工艺实际使用要求以及国际标准中要求的单光斑大小、形状c和最大移动量xc这三个数据。
本发明设计方法中，LED无影灯的光源模块分布也可以采用其他的排布方式，即一加N的排布方式，，而且中心光源模块1与外围光源模块2的发光强度也可以不同，则设计时需满足
Figure 475500DEST_PATH_IMAGE021
，其中
Figure 91027DEST_PATH_IMAGE022
为中心光源模块的发光强度，
Figure 569413DEST_PATH_IMAGE023
为外围光源模块的发光强度。采用这种方法，从而使光斑在变化过程中能够兼顾照度均匀度的要求。
图3所示是本发明设计方法流程图。首先构建单光斑的照度分布数学模型，再构建多光斑照度分布的总数学模型。在总数学模型上进行单光斑的径向移动和叠加。观察上述变化过程中的总光斑照度分布的变化，确定在满足无影灯国际标准要求、产品加工工艺以及实际使用要求下的单光斑大小、形状c和沿径向的最大移动量xc，从而得到总光斑尺寸的可变范围。
图4是构建图2中单光斑照度分布的二维数学模型图。由于七个光源模块的光学特性相同，因此，七个光源模块形成的单光斑照度分布的二维数学模型也相同，该照度分布即作为灯具在最小光斑时的照度分布。如果中心光源模块与外围光源模块的光斑大小不相同，即D10不相同，则中心光源模块1的光斑的照度分布作为灯具在最小光斑时的照度分布。上述单光斑照度分布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。图4中，b=100，xc=0，c=0.5-0.9。
上述构建单个光源模块的光斑照度分布的二维数学模型的方法是，通过构建单光斑照度分布函数
Figure 740861DEST_PATH_IMAGE003
，其中b为单光斑的D10，xc为单光斑沿径向的移动量，c为国际标准D50≥c*D10中的系数来实现的。
图5是构建由三个单光斑组成的总照度分布的二维总数学模型图。取图2中过中心光源光斑1的中心轴以及两侧两个外围光源光斑2的中心轴的截面上的三个单光斑组成一个二维的总数学模型。构建的方法是，通过构建多光斑照度分布函数
Figure 640421DEST_PATH_IMAGE025
来实现。图5中，b=100，xc=100，c=0.6。当然，中心光源光斑和外围光源光斑的b也可以不同，只需将其不同的b值代入上述函数即可。
图6是二维总数学模型中三个单光斑随光斑形状c变化时的数学模型图。图6中，b=60，xc=90，D50≥c*D10中的系数c分别等于0.5、0.6、0.7、0.8、0.9五种情况时总光斑的变化曲线。
图7是二维总数学模型中三个单光斑随移动量xc而变时的数学模型图。图7中，b=50，c=0.75，xc分别等于0、10、20、30、40、50、60、70、80九种情况时总光斑的变化曲线。
图8是二维总数学模型中三个单光斑随移动量xc而变时的最佳数学模型图。通过观察上述变化过程，选择其中满足设定的照度均匀度、加工工艺以及实际使用要求时的单光斑大小、形状和最大移动量，也即b值、上述标准D50≥c*D10中的c值以及总光斑的可变范围。图8中，b=70，c=0.61，xc=0-89，10 。
图9是由本发明方法得出的最佳单光斑照度分布的二维数学模型图，其中b=70，xc=0，c=0.61。
图10～图13是本发明所提供的利用三维数学模型进行验证的方法示意图。
图10是构建单光斑照度分布的三维数学模型图，其中，b=70，xc=0，c=0.61。
图11是图10中的三个单光斑在移动量xc=60时的总照度分布的三维数学模型图。
图12是图10中的三个单光斑在移动量xc=80时的总照度分布的三维数学模型图。
图13是图10中的三个单光斑在移动量xc=90时的总照度分布的三维数学模型图。
上述方法验证了本发明方法得出的最佳单光斑照度分布的目标设计要求，即b=70，xc=0，c=0.61。得出在满足设定的照度均匀度、加工工艺以及实际使用要求时的单光斑大小、形状和最大移动量，也即上述标准D50≥c*D10中的c值以及总光斑的可变范围。
通过本发明设计方法，可以得出，无影灯的光斑变化范围在140mm-340mm时，能始终满足国际标准的要求，且在三光斑照度分布的二维数学模型中，位于两侧单光斑中心点以内的局域，照度均匀度可以达到0.9以上。
上述具体实施方式只是用于说明本发明的设计方法，并不能用来限定本发明的保护范围。对于在本发明技术方案的思想指导下的变形和转换，都应该归于本发明保护范围以内。比如，将无影灯的结构设计扩展到中心光源与外围两圈光源模块的排布方式等。 

Claims (6)

1.可变光斑LED无影灯的光学设计方法，该无影灯主要由一个中心光源模块以及外围多个相同的围成圈的光源模块组成，其特征在于，该方法用于在沿径向移动外围光源模块的光斑以实现灯具的总光斑尺寸变化过程中，始终能够满足无影灯国际标准中的要求，具体步骤如下：
1）、构建单个光源模块形成的单光斑照度分布的二维数学模型；
在离开光源距离1m处，其照度是中心照度的1/2和1/10处的光斑直径大小分别设为                                                
Figure 391748DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 765091DEST_PATH_IMAGE002
，上述数学模型能够满足无影灯国际标准中
Figure 724955DEST_PATH_IMAGE001
≥c*
Figure 816539DEST_PATH_IMAGE002
的要求,其中c为可变系数，且0.5≤c≤1；
2）、以上述中三个中心位于同一直线的单光斑数学模型来构建三光斑的照度分布数学模型，该数学模型中，三个单光斑通过沿径向移动和叠加来代表无影灯在光斑变化过程中的总照度分布的二维数学模型；
3)、将步骤1）中的中心光源模块光斑的照度分布作为灯具在最小光斑时的照度分布；
4）、用步骤1）、2）的数学模型来计算在不同系数c、不同移动量xc时的总光斑的变化；
5）、根据步骤4）中总光斑的变化，确定在满足设定的照度均匀度、加工工艺以及实际使用要求时的单光斑大小、形状c和沿径向的最大移动量xc，从而得到总光斑尺寸的可变范围。
2.根据权利要求1所述的可变光斑LED无影灯的光学设计方法，其特征在于，所述步骤1）中构建单个光源模块的光斑照度分布的二维数学模型的方法是，构建单光斑照度分布函数
Figure 425430DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 181028DEST_PATH_IMAGE004
为所述单光斑的
Figure 55180DEST_PATH_IMAGE002
。
3.根据权利要求2所述的可变光斑LED无影灯的光学设计方法，其特征在于，所述步骤2）中总照度分布的二维数学模型的实现方法是，构建总光斑照度分布函数
Figure 413481DEST_PATH_IMAGE005
，其中，中心光源模块形成的单光斑的
Figure 761416DEST_PATH_IMAGE006
和外围光源模块形成的单光斑的
Figure 45505DEST_PATH_IMAGE007
可以相同或不同。
4.根据权利要求3所述的可变光斑LED无影灯的光学设计方法，其特征在于，所述无影灯由一个中心光源模块以及六个围成一圈的外围光源模块组成，且中心光源模块与外围光源模块的发光强度相同。
5.根据权利要求4所述的可变光斑LED无影灯的光学设计方法，其特征在于，还包括一验证方法,具体如下：
a）、构建可变光斑无影灯中的多个单光斑照度分布的三维数学模型，采用构建单光斑照度分布函数来实现，其中，
Figure 714930DEST_PATH_IMAGE010
， c、 分别为所述步骤5）中确定的单光斑的D10和c值，
Figure 287174DEST_PATH_IMAGE012
， 
Figure 423495DEST_PATH_IMAGE013
， 
Figure 542760DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 935696DEST_PATH_IMAGE015
，
Figure 271737DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 650897DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 123204DEST_PATH_IMAGE018
；
b）、将步骤a）中单光斑的照度分布作为灯具在最小光斑时的照度分布；
c）、构建一个中心光源模块和外围光源模块所形成的多个单光斑移动和叠加时的总照度分布的三维数学模型，采用构建多光斑照度分布函数
Figure 687040DEST_PATH_IMAGE019
，其中c和xc为所述步骤5）中确定的单光斑的c值和最大移动量xc；
d）、根据步骤c）中总光斑的变化，来验证上述确定的b、c和xc的值是否在三维情况下也能够满足设定的照度均匀度、加工工艺、实际使用的要求以及国际标准中的要求。
6.根据权利要求3所述的可变光斑LED无影灯的光学设计方法，其特征在于，所述无影灯由一个中心光源模块以及
Figure 949526DEST_PATH_IMAGE020
个相同的围成一圈的外围光源模块组成，且中心光源模块与外围光源模块的发光强度不同，满足
Figure 484107DEST_PATH_IMAGE021
，其中
Figure 577965DEST_PATH_IMAGE022
为中心光源模块的发光强度，
Figure 312703DEST_PATH_IMAGE023
为外围光源模块的发光强度，
Figure 295440DEST_PATH_IMAGE024
。
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