CN104819433B - 椭圆光斑实现装置、光斑调节装置及手术灯 - Google Patents

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Abstract

一种椭圆光斑实现装置，包括照明光源、驱动模块及全内反射透镜，全内反射透镜包括曲面聚光碗及设在曲面聚光碗内的第一准直入射面和第二准直透射面；曲面聚光碗、第一准直入射面及第二准直透射面的口径为椭圆形，且各椭圆形的长轴方向一致、中心轴重合、长轴与短轴的比值相同；曲面聚光碗包括靠近照明光源的第一端面、与第一端面相对的第二端面及用于将第一端面与第二端面连接起来的侧壁，第二端面向第一准直入射面的口径处收拢；第一准直入射面、第二准直透射面、第一端面、第二端面及侧壁均为光学坐标系内X、Y两个方向二次曲面系数和曲率半径不相同的曲面。还公开一种光斑调节装置及手术灯。本发明形成的光斑均匀性好。

Description

椭圆光斑实现装置、光斑调节装置及手术灯
技术领域
本发明涉及光学领域，特别是涉及一种椭圆光斑实现装置、光斑调节装置及手术灯。
背景技术
手术灯是手术室中必不可少的照明元件。通常情况下，因手术切口为长条型，需要形成椭圆光斑。目前，无论是通过机械调节还是软件调节的方法形成椭圆光斑，其原理都是将两个或多个圆形光斑进行拼凑而成。
然而，多个圆形光斑拼凑而成的椭圆光斑存在中心区域亮度比周围区域亮度要高的问题，从而使得形成的椭圆光斑均匀性较差。
发明内容
基于此，有必要提供一种光斑均匀性好的椭圆光斑实现装置。
此外，还提供一种光斑调节装置及手术灯。
一种椭圆光斑实现装置，包括照明光源、用于驱动所述照明光源发光的驱动模块及用于实现聚光的全内反射透镜，所述全内反射透镜包括曲面聚光碗及设在所述曲面聚光碗内的第一准直入射面及第二准直透射面；所述曲面聚光碗、第一准直入射面及第二准直透射面的口径均为椭圆形，且各椭圆形的长轴方向一致、中心轴重合、各椭圆形的长轴与短轴的比值相同；
所述曲面聚光碗包括靠近所述照明光源的第一端面、与第一端面相对的第二端面及用于将第一端面与第二端面连接起来的侧壁，所述第二端面向所述第一准直入射面的口径处收拢；
所述第一准直入射面、第二准直透射面、第一端面、第二端面及侧壁均为光学坐标系内X、Y两个方向二次曲面系数和曲率半径不相同的曲面。
在其中一个实施例中，所述第二端面包括两种以上的不同曲面，所述侧壁与所述第二端面的曲面分布结构相同。
在其中一个实施例中，所述第一准直入射面与所述第一端面通过一椭圆台连接。
在其中一个实施例中，所述第一准直入射面、第二准直透射面为变形非球面。
在其中一个实施例中，所述第二端面、侧壁及椭圆台的侧面为变形非球面。
在其中一个实施例中，还包括位于所述照明光源与所述全内反射透镜之间的匀光元件。
一种光斑调节装置，包括光斑调节信号输入模块、亮度控制模块及多个上述椭圆光斑实现装置，所述光斑调节信号输入模块与所述亮度控制模块连接，用于接收外部输入的光斑调节信号，所述亮度控制模块用于将所述光斑调节信号转换为对应的亮度开关信号；所述亮度控制模块与所述椭圆光斑实现装置中的驱动模块连接，所述驱动模块用于根据所述亮度开关信号驱动对应的照明光源发光。
在其中一个实施例中，所述光斑调节信号为实现光斑大小调节或光斑形状改变。
在其中一个实施例中，还包括通过圆形透镜进行聚光的圆形光斑实现装置。
一种手术灯，包括上述光斑调节装置。
上述椭圆光斑实现装置、光斑调节装置及手术灯，将所述全内反射透镜所包括的曲面聚光碗及设在所述曲面聚光碗内的第一准直入射面及第二准直透射面的口径设置为椭圆形，且各椭圆形的长轴方向一致、中心轴重合、各椭圆形的长轴与短轴的比值相同；所述第一准直入射面、第二准直透射面、第一端面、第二端面及侧壁均为光学坐标系内X、Y两个方向二次曲面系数和曲率半径不相同的曲面，这样使得照明光源发出的光线通过所述全内反射透镜时能直接形成椭圆光斑，而不需要多个圆形光斑进行拼凑，光斑均匀性好。
附图说明
图1为一实施例的全内反射透镜的立体图；
图2为图1所示全内反射透镜的剖面图；
图3为图1所示全内反射透镜的左视图；
图4为图1所示全内反射透镜的右视图；
图5为单色光的小角度光线经过全内反射透镜的示意图；
图6为单色光的大角度光线经过全内反射透镜的示意图；
图7为椭圆光斑的长轴方向和短轴方向的角度与能量分布图；
图8为一实施例的光斑调节装置的结构示意图；
图9为图8所示实施例中的光束照射到工作面的示意图；
图10为多个图8所示实施例中光斑调节装置的组合示意图；
图11为一实施例的光斑调节方法流程图。
具体实施方式
一种椭圆光斑实现装置，包括照明光源、用于驱动所述照明光源发光的驱动模块及用于实现聚光的全内反射透镜，所述全内反射透镜包括曲面聚光碗及设在所述曲面聚光碗内的第一准直入射面及第二准直透射面；所述曲面聚光碗、第一准直入射面及第二准直透射面的口径均为椭圆形，且各椭圆形的长轴方向一致、中心轴重合、各椭圆形的长轴与短轴的比值相同；所述曲面聚光碗包括靠近所述照明光源的第一端面、与第一端面相对的第二端面及用于将第一端面与第二端面连接起来的侧壁，所述第二端面向所述第一准直入射面的口径处收拢；所述第一准直入射面、第二准直透射面、第一端面、第二端面及侧壁均为光学坐标系内X、Y两个方向二次曲面系数和曲率半径不相同的曲面。
请参照图1～4。其中，图1为一实施例的全内反射透镜的立体图，图2为图1所示全内反射透镜的剖面图，图3为图1所示全内反射透镜的左视图，图4为图1所示全内反射透镜的右视图。
该全内反射透镜包括曲面聚光碗110、第一准直入射面120及第二准直透射面130。其中，第一准直入射面120和第二准直透射面130设在曲面聚光碗110内，曲面聚光碗110、第一准直入射面120及第二准直透射面130的口径均为椭圆形，且各椭圆形的长轴方向一致、中心轴重合、各椭圆形的长轴与短轴的比值相同；第一准直入射面120和第二准直透射面130为光学坐标系内X、Y两个方向二次曲面系数、曲率半径和高阶系数不相同的曲面。X、Y两个方向(即椭圆的长轴、短轴两个方向)的曲率半径、二次曲面系数、高阶系数不相同，导致X、Y两个方向的光线准直的角度不相等。
可以理解，在其他实施例中，X、Y两个方向的高阶系数可以相同，即均为零的情况，X、Y两个方向的二次曲面系数、曲率半径不同。
曲面聚光碗110包括靠近照明光源(图1～4未示出)的第一端面112、与第一端面112相对的第二端面114及用于将第一端面112与第二端面114连接起来的侧壁116，第二端面114向第一准直入射面120的口径处收拢。第一端面112、第二端面114及侧壁116均为光学坐标内X、Y两个方向二次曲面系数和曲面半径不相同的曲面。射到侧壁116的光线都能实现全反射。
在本实施例中，第二端面114的整体为同一种曲面，侧壁116的整体也为同一种曲面。可以理解，在其他实施例中，第二端面114可以包括两种以上的不同曲面，侧壁116对应地也包括两种以上的不同曲面。其中，不同曲面可以是曲面类型不同，也可以是曲面类型相同但曲面参数不同。
第一准直入射面120位于曲面聚光碗110内且靠近第一端面112，第一准直入射面120与第一端面112通过一椭圆台140连接。椭圆台140的母线倾斜度为1～5度。
第二准直透射面130位于曲面聚光碗110内，第二准直透射面130的外径与第二端面114连接。
在本实施例中，第一准直入射面120和第二准直透射面130为变形非球面。可以理解，在其他实施例中，第一准直入射面120、第二准直透射面130还可以为其他曲面。
具体地，请结合图5和图6，图中示出了照明光源150。
图5为单色光的小角度光线经过全内反射透镜的示意图。光线经第一准直入射面120会发生折射，从而使光线被一定量准直，因为经过第一准直入射面120准直后的光线还是发射的而非平行的，所以第二准直透射面130的口径比第一准直入射面120的口径大，使得从第一准直入射面120射出的光线能进入第二准直透射面130，并经第二准直透射面130折射后射出，这样光线再一次被准直，几乎接近平行光线。
图6为单色光的大角度光线经过全内反射透镜的示意图。光线经椭圆台140的侧面会发生折射，光线从椭圆台140侧面的入射角均大于射到侧壁116的全反射角，光线在侧壁116发生全反射后再通过第二端面114折射并出射，这样光线也会被一定程度准直，光线也几乎接近平行光。
这样，因为曲面聚光碗110、第一准直入射面120及第二准直透射面130的口径均设置为椭圆形，而照明光源发出的光线通过所述全内反射透镜后射出的光线几乎接近平行光，使得从该全内反射透镜出来的光线形成了椭圆光斑，椭圆光斑的长轴方向和短轴方向的角度与能量分布图如图7所示。椭圆长轴方向的光线最大角度为8度，而短轴方向的最大角度为13度，这样就形成了光线准直角度的差异。
可以理解，在其他实施例中，照明光源150发出的光为多颜色光时，还可以在照明光源150与所述全内反射透镜之间增加匀光元件，比如积分棒。
还提供一种光斑调节装置，包括多个上述椭圆光斑实现装置、光斑调节信号输入模块及亮度控制模块，所述光斑调节信号输入模块用于接收外部输入的光斑调节信号，所述亮度控制模块用于将所述光斑调节信号转换为对应的亮度开关信号；所述驱动模块根据所述亮度开关信号驱动对应的照明光源发光。在本实施例中所述光斑调节信号为实现光斑大小调节或光斑形状改变。
具体地请结合图8，为一实施例的光斑调节装置的结构示意图。
该光斑调节装置包括4个椭圆光斑实现装置210～240，还包括一个聚光元件为圆形透镜的圆形光斑实现装置250。该光斑调节装置射出的光束照射到工作面的示意图如图9所示。椭圆光斑实现装置210～240和圆形光斑实现装置250发射的光线分别对应光斑11～15。
当需要调节为最小圆形光斑时，通过所述光斑调节信号输入模块(图未示)输入光斑调节信号，所述亮度控制模块将所述光斑调节信号转换为对应的亮度开关信号以控制圆形光斑实现装置250单独点亮。同理：当需要调节为最大光斑时，控制椭圆光斑实现装置210～240点亮，这样4个椭圆光斑就拼凑成了一个近似圆形的大光斑；当需要调节为横向椭圆光斑时，控制椭圆光斑实现装置220单独点亮；当需要调节为纵向椭圆光斑时，控制椭圆光斑实现装置210单独点亮；当需要调节为45度斜向椭圆光斑时，控制椭圆光斑实现装置230单独点亮；当需要调节为-45度斜向椭圆光斑时，控制椭圆光斑实现装置240单独点亮。
可以理解，光斑调节装置的结构不限于图8的组合方式，还可以增加更多的椭圆光斑实现装置，以实现更多角度的调节。
请参照图10，为多个图8所示实施例中光斑调节装置组合形成的手术灯的灯头，其光斑的调节方式同单个光斑调节装置一样。可以理解，手术灯头的结构不限于图10的组合方式。
请参照图11，为一实施例的椭圆光斑调节方法流程图。
该椭圆光斑调节方法包括：
步骤S110：接收外部输入的光斑调节信号。
在本实施例中，所述光斑调节信号为实现光斑大小调节或光斑形状改变。
步骤S120：将所述光斑调节信号转换为对应的亮度开关信号。
步骤S130：根据所述亮度开关信号驱动对应的照明光源发光。
上述椭圆光斑实现装置、光斑调节装置及手术灯，将所述全内反射透镜所包括的曲面聚光碗及设在所述曲面聚光碗内的第一准直入射面及第二准直透射面的口径设置为椭圆形，且各椭圆形的长轴方向一致、中心轴重合、各椭圆形的长轴与短轴的比值相同；所述第一准直入射面、第二准直透射面、第一端面、第二端面及侧壁均为光学坐标系内X、Y两个方向二次曲面系数和曲率半径不相同的曲面，这样使得照明光源发出的光线通过所述全内反射透镜时能直接形成椭圆光斑，而不需要多个圆形光斑进行拼凑，光斑均匀性好。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种椭圆光斑实现装置，包括照明光源、用于驱动所述照明光源发光的驱动模块及用于实现聚光的全内反射透镜，其特征在于，所述全内反射透镜包括曲面聚光碗及设在所述曲面聚光碗内的第一准直入射面及第二准直透射面；所述曲面聚光碗、第一准直入射面及第二准直透射面的口径均为椭圆形，且各椭圆形的长轴方向一致、中心轴重合、各椭圆形的长轴与短轴的比值相同；
所述曲面聚光碗包括靠近所述照明光源的第一端面、与第一端面相对的第二端面及用于将第一端面与第二端面连接起来的侧壁，所述第二端面向所述第一准直入射面的口径处收拢；
所述第一准直入射面、第二准直透射面、第一端面、第二端面及侧壁均为光学坐标系内X、Y两个方向二次曲面系数和曲率半径不相同的曲面，X、Y两个方向的光线准直的角度不相等。
2.根据权利要求1所述的椭圆光斑实现装置，其特征在于，所述第二端面包括两种以上的不同曲面，所述侧壁与所述第二端面的曲面分布结构相同。
3.根据权利要求1所述的椭圆光斑实现装置，其特征在于，所述第一准直入射面与所述第一端面通过一椭圆台连接。
4.根据权利要求1所述的椭圆光斑实现装置，其特征在于，所述第一准直入射面、第二准直透射面为变形非球面。
5.根据权利要求3所述的椭圆光斑实现装置，其特征在于，所述第二端面、侧壁及椭圆台的侧面为变形非球面。
6.根据权利要求1所述的椭圆光斑实现装置，其特征在于，还包括位于所述照明光源与所述全内反射透镜之间的匀光元件。
7.一种光斑调节装置，其特征在于，包括光斑调节信号输入模块、亮度控制模块及多个权利要求1～6任一项所述的椭圆光斑实现装置，所述光斑调节信号输入模块与所述亮度控制模块连接，用于接收外部输入的光斑调节信号，所述亮度控制模块用于将所述光斑调节信号转换为对应的亮度开关信号；所述亮度控制模块与所述椭圆光斑实现装置中的驱动模块连接，所述驱动模块用于根据所述亮度开关信号驱动对应的照明光源发光。
8.根据权利要求7所述的光斑调节装置，其特征在于，所述光斑调节信号为实现光斑大小调节或光斑形状改变。
9.根据权利要求7所述的光斑调节装置，其特征在于，还包括通过圆形透镜进行聚光的圆形光斑实现装置。
10.一种手术灯，其特征在于，包括权利要求7～9任一项所述的光斑调节装置。
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