CN105749428A - 一种自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统，包括左侧的LED光源及右侧的自由曲面透镜，由LED光源发出的单色光通过自由曲面透镜后形成照明平面，其中，LED光源包括圆形灯板，在圆形灯板上匀距间隔制有多个灯孔，在每个灯孔中间隔安装相同功率的蓝绿LED组合灯珠或单个绿色LED灯珠；其中，自由曲面透镜面型的确定包括：(1)建立坐标；(2)公式计算自由曲面透镜的面型；(3)得到自由曲面的离散数据坐标；(4)求得自由曲面透镜外形。本发明弥补传统光学的不足，满足大面积均匀照明的要求，极大得提高了光能利用率，实现了高度均匀的光疗效果，提高了黄疸治疗效率。

Description

一种自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统

技术领域

本发明属于光学医疗仪器技术领域，涉及的是一种以特定波长的LED作为光源，通过三种方式实现均匀度一定，辐照度一定，光斑面积一定的均匀照明系统，具体的是一种自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统。

背景技术

黄疸是一种新生儿常见病，据统计全球大约70％的婴儿在出生后一周内会出现不同程度的黄疸症状，皮肤呈现病黄褐色。对于新生儿黄疸，目前主流的治疗方法分别有换血法、药物疗法、针灸法、游泳疗法、抚触疗法、基因疗法和光疗法。换血疗法主要用于治疗溶血性黄疸，但是换血后容易造成血管道阻塞，静脉血栓等健康问题；药物辽法是利用传统中药、苯巴比妥、蒙脱石散联合微生态制剂等来促使黄疸的消退，但少数新生儿对药物恶心；针灸法疗效有限，同时针灸轻微的刺痛感导致大部分新生儿难以接受；游泳疗法是使用游泳器材让新生儿在干净的水中游泳来治疗黄疸，游泳器材设备占地，实施有一定困难；抚触疗法是通过抚摸或触摸患儿特定部分来进行治疗，但治疗部位仅限腹部，头部和脚部，不能同时应用于全身；基因疗法是采用定点诱变的方法使血红素加氧酶失去催化活性减少胆红素合成降低胆红素水平，此方法目前处于实验起步阶段，技术不成熟，效果尚无定论；光疗法是治疗新生儿黄疸最安全，高效，简便的方法。459nm的蓝光和胆红素分子的吸收光谱极其相似，利用蓝光穿透患儿皮肤作用在胆红素分子上，使其异构或氧化，转变成易溶于水的异构体。这些水溶性异构体通过胆汁、尿液、体液排出体外，使得胆红素的浓度降低，从而治疗黄疸。

按照光疗光源种类的不同，大致分为：荧光光源、卤素光源和新型LED光源。荧光灯光疗仪光谱宽，光能利用率低，治疗效率低，光谱范围中的紫外光对新生儿有副作用。卤素灯光疗仪，加载特定滤光片实现单色光输出。卤素灯寿命长，光强高，光衰小，光谱范围中包含较多的红光黄光成分，如不加以防护，会对婴儿娇嫩脆弱的肌肤会造成光损伤。目前，卤素灯光疗仪在国外临床应用较成熟，国内仍然处于实验起步阶段。LED作为一种高效、便捷、经济的新型冷光源，从20世纪末期开始，欧美等发达国家就开始了LED在黄疸治疗中应用的研究，如美国NATUS公司的型号为NeoBlueLED黄疸光疗仪，光源由1200颗LED组成，光照强度无法线性调节，电路复杂不便交互，光均匀度只有30％，工作效率低下；巴西Fanem公司的型号为Bilitron大功率LED光疗仪，采用5个大功率蓝紫色LED组成，光谱范围宽，效率底下，治疗效果尚无确切定论；飞利浦公司生产的窄波LED蓝光毯BiliTx黄疸治疗仪，是由光源、光导纤维和光垫三大模块组成，疗效好但价格昂贵无法大范围推广；当前我国LED光疗仪的研制技术仍然不成熟。

目前市场上以LED为光源的光疗设备均采用蓝光作光源，蓝光退黄的疗效虽好，但是蓝光的光生物安全性不够高。其主要副作用如下：蓝光照射可能影响新生儿胆红素代谢而引起免疫系统功能失调；蓝光照射导致动脉导管未闭(PDA)，出现艾森曼格综合征就会失去手术指征；蓝光可直接损伤人视网膜细胞；蓝光会导致睾丸中精子DNA损伤，影响成年个体生殖能力；蓝光对红细胞葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G-6pD)缺乏性黄疸加重溶血而加重黄疸的作用。胆红素分子对380nm～530nm波段的紫蓝绿三色光吸收能力较强，对波长为459nm蓝光时吸收效率达到最高，而波长在500nm绿光对皮肤的穿透能力更强，绿光光疗导致新生儿出现副作用的几率几乎为零。

根据对国内外光疗设备现状分析，其中照明系统主要存在副作用多、光均匀性低下、疗效差等种种缺陷，仍有很大的进步空间。因此，研制大功率高亮度蓝绿光LED新生儿黄疸光疗照明系统是黄疸光疗设备趋势所向，必将在国内甚至是国际市场具有很强的竞争力。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提出一种自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统，包括左侧的LED光源及右侧的自由曲面透镜，由LED光源发出的单色光通过右侧的自由曲面透镜后在自由曲面透镜右侧400mm±100mm处形成照明平面，

其中，LED光源进一步包括圆形灯板，在圆形灯板上匀距间隔制有多个灯孔，在每个灯孔中间隔安装有相同功率的蓝绿LED组合灯珠或单个绿色LED灯珠；

其中，自由曲面透镜面型的确定方法包括如下步骤：

(1)建立坐标，将LED光源中心置于坐标原点(0，0)，照明平面与x轴平行，照明平面的中心在Y轴上，照明平面为半径是R的圆形平面，透镜介质的折射率为n；

(2)公式计算自由曲面透镜的面型，包括步骤内容如下：

①边界条件设定

设LED光源的出射半角为θ，则最大出射半角：

${\mathrm{\θ}}_{max}=\frac{\mathrm{\π}}{2}---(1-1)$

当出射光半角增大至θ_max时，最外层光线到达照明平面的位置与r₀点的距离为R，即圆形光斑的半径R，即边界条件为r_max＝R；

②得出自由曲面最终微分方程

假设所设计的自由曲面透镜为理想光学元件，根据能量守恒原理，光通量关系用以下公式表示：

$2\mathrm{\π}{\∫}_0^{{\mathrm{\θ}}_x}I\left(\mathrm{\θ}\right)sin\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}=2\mathrm{\π}{\∫}_0^{r_x}E\left(r\right)rdr---(1-2)$

式中I(θ)为出射光光强，为出射光角度θ的函数，对于LED光源，由于其光强分布为朗伯分布，满足：

I(θ)＝I₀cosθ(1-3)

I₀为光源中心光强，(1-3)式中为照射平面的照度，由于设计目标是在照明平面实现均匀照度，因此照度E(r)为一常数，即：

E(r)＝E₀(1-4)

将(1-3)式以及(1-4)式代入到(1-2)式中，并利用边界条件r_max＝R，求解积分方程可以得到：

r＝Rsinθ(1-5)

将一条从光源射出最终到达照明平面的光线近似看做是三段光线，假设光线从(0，0)射出与自由曲面1相交于点(x₁，y₁)，然后穿过透镜后交于透镜自由曲面2点(x₂，y₂)处，最后和目标照明平面相交于点(x₃，y₃)，在自由曲面1下方，入射光线的入射角度为α₁，射出自由曲面1的角度α₂，射出自由曲面2的角度α₃，设自由曲面1点(x₁，y₁)处的法线斜率为k₁，自由曲面2点(x₂，y₂)处的法线斜率为k₂，另外，三段光线与x轴的夹角分别设为β₁，β₂和β₃，由于空气的折射率近似为1，透镜的折射率为n，则由几何光学的折射定律可得：

sinα₁＝nsinα₂(1-6)

nsinα₂＝sinα₃(1-7)

三段光线的斜率分别为tanβ₁，tanβ₂和tanβ₃，根据其光线位置关系可以得到以下表述式：

${\mathrm{tan\α}}_1=\frac{k_1-{\mathrm{tan\β}}_1}{1+n{\mathrm{tan\β}}_1}---(1-8)$

${\mathrm{tan\α}}_2=\frac{k_1-{\mathrm{tan\β}}_2}{1+n{\mathrm{tan\β}}_2}---(1-9)$

${\mathrm{tan\α}}_2=\frac{k_2-{\mathrm{tan\β}}_2}{1+n{\mathrm{tan\β}}_2}---(1-10)$

${\mathrm{tan\α}}_3=\frac{k_2-{\mathrm{tan\β}}_3}{1+n{\mathrm{tan\β}}_3}---(1-11)$

由此解的：

$k_1=\frac{n{\mathrm{sin\β}}_1-{\mathrm{sin\β}}_2}{n{\mathrm{cos\β}}_1-{\mathrm{cos\β}}_2}---(1-12)$

$k_2=\frac{n{\mathrm{sin\β}}_2-{\mathrm{sin\β}}_3}{n{\mathrm{cos\β}}_2-{\mathrm{cos\β}}_3}---(1-13)$

根据光线坐标位置求得：

${\mathrm{sin\β}}_1=\frac{y_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-14)$

${\mathrm{cos\β}}_1=\frac{x_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-15)$

${\mathrm{sin\β}}_2=\frac{y_2-y_1}{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}}---(1-16)$

${\mathrm{cos\β}}_2=\frac{x_2-x_1}{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}}---(1-17)$

${\mathrm{sin\β}}_3=\frac{y_3-y_2}{\sqrt{{(x_3-x_2)}^2+{(y_3-y_2)}^2}}---(1-18)$

${\mathrm{cos\β}}_3=\frac{x_3-x_2}{\sqrt{{(x_3-x_2)}^2+{(y_3-y_2)}^2}}---(1-19)$

将(1-14)(1-15)(1-16)(1-17)(1-18)(1-19)式子代入(1-12)和(1-13)，经过化简后可得到关于自由曲面的微分方程：

$k_1=\frac{dy}{dx}=\frac{{\mathrm{ny}}_1\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+{(x_2-x_1)}^2}-(y_2-y_1)\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}{{\mathrm{nx}}_1\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+{(x_2-x_1)}^2}-(x_2-x_1)\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-20)$

$k_2=\frac{dy}{dx}=\frac{{\mathrm{ny}}_2\sqrt{{(y_3-y_2)}^2+{(x_3-x_2)}^2}-(y_3-y_2)\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}{{\mathrm{nx}}_2\sqrt{{(y_3-y_2)}^2+{(x_3-x_2)}^2}-(x_3-x_2)\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}---(1-21)$

根据边界条件(1-5)和θ以及β之间的位置关系，推出

$x_2=R\frac{x_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-22)$

$x_3=R\frac{x_1}{\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}---(1-23)$

将(1-22)，(1-23)带入(1-20)和(1-21)，得出自由曲面最终微分方程：

$k_1=\frac{dy}{dx}=\frac{{\mathrm{ny}}_1\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+(R\frac{x_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}-x_1)}-(y_2-y_1)\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}{{\mathrm{nx}}_1\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+(R\frac{x_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}-x_1)}-(x_2-x_1)\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-24)$

$k_2=\frac{dy}{dx}=\frac{{\mathrm{ny}}_2\sqrt{{(y_3-y_2)}^2+(R\frac{x_2}{\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}-x_2)}-(y_3-y_2)\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}{{\mathrm{nx}}_2\sqrt{{(y_3-y_2)}^2+(R\frac{x_2}{\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}-x_2)}-(x_3-x_2)\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}---(1-25);$

(3)得到自由曲面的离散数据坐标

通过Matlab软件使用龙格库塔法即可实现对该微分方程的数值求解，并得到自由曲面的离散数据坐标；

(4)求得自由曲面透镜外形

将Matlab中自由曲面离散数据坐标导入机械制图软件solidworks中，化点为面，求得自由曲面透镜外形。

而且，所述圆形灯板的具体结构为，在圆形灯板的中心处、以圆心向外发散的圆形灯板边缘处，以及中心与灯板边缘之间的中间环形处均制有距间相同的灯孔，在灯板边缘的一周灯孔内，间隔安装有相同功率的蓝绿LED组合灯珠或单个绿色LED灯珠，同样，在中间环形的一周灯孔内，也间隔安装有相同功率的蓝绿LED组合灯珠或单个绿色LED灯珠，在中心灯孔内安装相同功率的蓝绿LED组合灯珠。

而且，所述蓝色LED为波长是459nm的蓝光LED，所述绿色LED为波长是500nm的绿光LED。

而且，优选的，在自由曲面透镜面型的确定方法中，当限定照明平面的中心在Y轴上，且距原点的距离为400mm，照明平面为半径是200mm的圆形平面时，自由曲面透镜的具体结构为高100mm，最大直径100mm，最小直径为60mm，光源到自由曲面1的距离为20mm。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明使用自由曲面设计法弥补传统光学设计的不足，根据照明需求自由控制光线的发光角来分配光强、减小光能损失，自由曲面创造出的光型，满足大面积均匀照明的要求。

2、本发明采用型号为Creexp-e的大功率LED灯珠通过特殊阵列排布实现一定辐照度和光照面积，摒弃了传统光疗系统中上千颗引脚式LED作为光源的模式，更加经济高效。

3、本发明将自由曲面透镜应用于黄疸光疗系统，极大得提高了光能利用率，实现了高度均匀的光疗效果，使得退黄速度几乎达到一致，提高了黄疸治疗效率，缩小了系统占用空间。

4、本发明在系统设计上特别对光源、照明系统做了小型化设计，整套设备结构紧凑，便于携带。

附图说明

图1是本发明系统的光路结构示意图；

图2是本发明中圆形灯板的结构示意图；

图3是本发明中圆形灯板结合散热片的结构示意图；

图4是本发明中散热片的结构示意图；

图5是本发明中自由曲面岀射半角边界条件说明示意图；

图6是本发明中自由曲面透镜光线角度示意图；

图7是本发明中自由曲面的离散数据坐标示意图；

图8是本发明中具体求得的自由曲面透镜外形示意图。

具体实施方式

以下对本发明实施做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统，如图1所示，包括左侧的LED光源及右侧的自由曲面透镜，由LED光源发出的单色光通过右侧的自由曲面透镜后在自由曲面透镜右侧400mm±100mm处形成照明平面，

其中，如图2或3所示，LED光源进一步包括圆形灯板1，在圆形灯板的中心处、以圆心向外发散的圆形灯板边缘处，以及中心与灯板边缘之间的中间环形处均制有距间相同的灯孔2，在灯板边缘的一周灯孔内，间隔安装有相同功率的蓝绿LED组合灯珠或单个绿色LED灯珠3，同样，在中间环形的一周灯孔内，也间隔安装有相同功率的蓝绿LED组合灯珠或单个绿色LED灯珠，在中心灯孔内安装相同功率的蓝绿LED组合灯珠，

在本发明的具体实施中，所述蓝色LED为波长是459nm的蓝光LED，所述绿色LED为波长是500nm的绿光LED。

在本发明的具体实施中，如图4所示，由于LED灯珠均采用型号为Creexp-e的大功率LED灯珠，因此长时间工作的圆形灯板会产生大量热量，因此在圆形灯板的LED灯珠反向侧焊接有发散型散热片4，具体的，发散型散热片是由单个金属长片折叠成多个肋片型散热板5，然后多个肋片型散热板同心构成中心发散的阳光辐射式结构。

其中，自由曲面透镜面型的确定方法包括如下步骤：

(1)建立坐标，如图5所示，将LED光源中心置于坐标原点(0，0)，照明平面与x轴平行，照明平面的中心在y轴上，且距原点的距离为400mm，照明平面为半径是R的圆形平面，透镜介质的折射率为n；

(2)公式计算自由曲面透镜的面型，包括步骤内容如下：

①边界条件设定

设LED光源的出射半角为θ，则最大出射半角：

${\mathrm{\θ}}_{max}=\frac{\mathrm{\π}}{2}---(1-1)$

根据边缘光线定律，要实现均匀照度的圆形光斑，与y轴重合的出射光线应该到达照明平面中心点r₀处，随着出射光半角θ的增大，光线到达照明平面的位置也将逐渐远离r₀，那么当出射半角增大至θ_max时，最外层光线到达照明平面的位置与r₀点的距离就为R，则最终实现的圆形光斑的半径就是R，即边界条件为r_max＝R；

②得出自由曲面最终微分方程

假设所设计的自由曲面透镜为理想光学元件，由非成像光学中的光学扩展量守恒原理可以知道，从光源出射到达照明平面的光通量将不会发生变化，也就是能量守恒，其关系可以用以下公式表示：

$2\mathrm{\π}{\∫}_0^{{\mathrm{\θ}}_x}I\left(\mathrm{\θ}\right)sin\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}=2\mathrm{\π}{\∫}_0^{r_x}E\left(r\right)rdr---(1-2)$

式中I(θ)为出射光光强，为出射光角度θ的函数，对于LED光源，由于其光强分布为朗伯分布，满足：

I(θ)＝I₀cosθ(1-3)

I₀为光源中心光强，(1-3)式中为照射平面的照度，由于设计目标是在照明平面实现均匀照度，因此照度E(r)为一常数，即：

E(r)＝E₀(1-4)

将(1-3)式以及(1-4)式代入到(1-2)式中，并利用边界条件r_max＝R，求解积分方程可以得到：

r＝Rsinθ(1-5)

光线由空气射向透镜，再由透镜射向空气，我们将一条从光源射出最终到达照明平面的光线近似看做是三段光线，见图6所示，假设光线从(0，0)射出与自由曲面1相交于点(x₁，y₁)，然后穿过透镜后交于透镜自由曲面2点(x₂，y₂)处，最后和目标照明平面相交于点(x₃，y₃)，在自由曲面1下方，入射光线的入射角度为α₁，射出自由曲面1的角度α₂，射出自由曲面2的角度α₃，设自由曲面1点(x₁，y₁)处的法线斜率为k₁，自由曲面2点(x2，y₂)处的法线斜率为k₂，另外，三段光线与x轴的夹角分别设为β₁，β₂和β₃，由于空气的折射率近似为1，透镜的折射率为n，则由几何光学的折射定律可得：

sinα₁＝nsinα₂(1-6)

nsinα₂＝sinα₃(1-7)

三段光线的斜率分别为tanβ₁，tanβ₂和tanβ₃，根据其光线位置关系可以得到以下表述式：

${\mathrm{tan\α}}_1=\frac{k_1-{\mathrm{tan\β}}_1}{1+n{\mathrm{tan\β}}_1}---(1-8)$

${\mathrm{tan\α}}_2=\frac{k_1-{\mathrm{tan\β}}_2}{1+n{\mathrm{tan\β}}_2}---(1-9)$

${\mathrm{tan\α}}_2=\frac{k_2-{\mathrm{tan\β}}_2}{1+n{\mathrm{tan\β}}_2}---(1-10)$

${\mathrm{tan\α}}_3=\frac{k_2-{\mathrm{tan\β}}_3}{1+n{\mathrm{tan\β}}_3}---(1-11)$

由此解的：

$k_1=\frac{n{\mathrm{sin\β}}_1-{\mathrm{sin\β}}_2}{n{\mathrm{cos\β}}_1-{\mathrm{cos\β}}_2}---(1-12)$

$k_2=\frac{n{\mathrm{sin\β}}_2-{\mathrm{sin\β}}_3}{n{\mathrm{cos\β}}_2-{\mathrm{cos\β}}_3}---(1-13)$

根据光线坐标位置求得：

${\mathrm{sin\β}}_1=\frac{y_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-14)$

${\mathrm{cos\β}}_1=\frac{x_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-15)$

${\mathrm{sin\β}}_2=\frac{y_2-y_1}{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}}---(1-16)$

${\mathrm{cos\β}}_2=\frac{x_2-x_1}{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}}---(1-17)$

${\mathrm{sin\β}}_3=\frac{y_3-y_2}{\sqrt{{(x_3-x_2)}^2+{(y_3-y_2)}^2}}---(1-18)$

${\mathrm{cos\β}}_3=\frac{x_3-x_2}{\sqrt{{(x_3-x_2)}^2+{(y_3-y_2)}^2}}---(1-19)$

将(1-14)(1-15)(1-16)(1-17)(1-18)(1-19)式子带入(1-12)和(1-13)，经过化简后可得到关于自由曲面的微分方程：

$k_1=\frac{dy}{dx}=\frac{{\mathrm{ny}}_1\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+{(x_2-x_1)}^2}-(y_2-y_1)\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}{{\mathrm{nx}}_1\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+{(x_2-x_1)}^2}-(x_2-x_1)\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-20)$

$k_2=\frac{dy}{dx}=\frac{{\mathrm{ny}}_2\sqrt{{(y_3-y_2)}^2+{(x_3-x_2)}^2}-(y_3-y_2)\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}{{\mathrm{nx}}_2\sqrt{{(y_3-y_2)}^2+{(x_3-x_2)}^2}-(x_3-x_2)\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}---(1-21)$

根据边界条件(1-5)和θ以及β之间的位置关系，推出

$x_2=R\frac{x_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-22)$

$x_3=R\frac{x_1}{\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}---(1-23)$

将(1-22)，(1-23)带入(1-20)和(1-21)，得出自由曲面最终微分方程：

$k_1=\frac{dy}{dx}=\frac{{\mathrm{ny}}_1\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+(R\frac{x_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}-x_1)}-(y_2-y_1)\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}{{\mathrm{nx}}_1\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+(R\frac{x_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}-x_1)}-(x_2-x_1)\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-24)$

$k_2=\frac{dy}{dx}=\frac{{\mathrm{ny}}_2\sqrt{{(y_3-y_2)}^2+(R\frac{x_2}{\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}-x_2)}-(y_3-y_2)\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}{{\mathrm{nx}}_2\sqrt{{(y_3-y_2)}^2+(R\frac{x_2}{\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}-x_2)}-(x_3-x_2)\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}---(1-25)$

(3)得到自由曲面的离散数据坐标

利用Matlab软件中的RungeKutta法即可实现对上述微分方程的求解，得到自由曲面离散点的数据坐标，见图7。

(4)求得自由曲面透镜外形

将Matlab中自由曲面离散数据坐标导入机械制图软件solidworks中，化点为面，求得自由曲面透镜外形，见图8。具体的，当限定照明平面的中心在y轴上，且距原点的距离为400mm，照明平面为半径是200mm的圆形平面时，其中自由曲面透镜高100mm，最大直径为100mm，最小直径为60mm，光源到自由曲面1的距离为20mm。

Claims (4)

1.一种自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统，其特征在于：包括左侧的LED光源及右侧的自由曲面透镜，由LED光源发出的单色光通过右侧的自由曲面透镜后在自由曲面透镜右侧400mm±100mm处形成照明平面，

其中，LED光源进一步包括圆形灯板，在圆形灯板上匀距间隔制有多个灯孔，在每个灯孔中间隔安装有相同功率的蓝绿LED组合灯珠或单个绿色LED灯珠；

其中，自由曲面透镜面型的确定方法包括如下步骤：

(1)建立坐标，将LED光源中心置于坐标原点(0，0)，照明平面与x轴平行，照明平面的中心在y轴上，照明平面为半径是R的圆形平面，透镜介质的折射率为n；

(2)公式计算自由曲面透镜的面型，包括步骤内容如下：

①边界条件设定

设LED光源的出射半角为θ，则最大出射半角：

${\mathrm{\θ}}_{max}=\frac{\mathrm{\π}}{2}---(1-1)$

当出射光半角增大至θ_max时，最外层光线到达照明平面的位置与r₀点的距离为R，即圆形光斑的半径R，即边界条件为r_max＝R；

②得出自由曲面最终微分方程

假设所设计的自由曲面透镜为理想光学元件，根据能量守恒原理，光通量关系用以下公式表示：

$2\mathrm{\π}{\∫}_0^{{\mathrm{\θ}}_x}I\left(\mathrm{\θ}\right)sin\mathrm{\θ}d\mathrm{\θ}=2\mathrm{\π}{\∫}_0^{r_x}E\left(r\right)rdr---(1-2)$

式中I(θ)为出射光光强，为出射光角度θ的函数，对于LED光源，由于其光强分布为朗伯分布，满足：

I(θ)＝I₀cosθ(1-3)

I₀为光源中心光强，(1-3)式中为照射平面的照度，由于设计目标是在照明平面实现均匀照度，因此照度E(r)为一常数，即：

E(r)＝E₀(1-4)

将(1-3)式以及(1-4)式代入到(1-2)式中，并利用边界条件r_max＝R，求解积分方程可以得到：

r＝Rsinθ(1-5)

将一条从光源射出最终到达照明平面的光线近似看做是三段光线，假设光线从(0，0)射出与自由曲面1相交于点(x₁，y₁)，然后穿过透镜后交于透镜自由曲面2点(x₂，y₂)处，最后和目标照明平面相交于点(x₃，y₃)，在自由曲面1下方，入射光线的入射角度为α₁，射出自由曲面1的角度α₂，射出自由曲面2的角度α₃，设自由曲面1点(x₁，y₁)处的法线斜率为k₁，自由曲面2点(x₂，y₂)处的法线斜率为k₂，另外，三段光线与x轴的夹角分别设为β₁，β₂和β₃，由于空气的折射率近似为1，透镜的折射率为n，则由几何光学的折射定律可得：

sinα₁＝nsinα₂(1-6)

nsinα₂＝sinα₃(1-7)

三段光线的斜率分别为tanβ₁，tanβ₂和tanβ₃，根据其光线位置关系可以得到以下表述式：

${\mathrm{tan\α}}_1=\frac{k_1-{\mathrm{tan\β}}_1}{1+n{\mathrm{tan\β}}_1}---(1-8)$

${\mathrm{tan\α}}_2=\frac{k_1-{\mathrm{tan\β}}_2}{1+n{\mathrm{tan\β}}_2}---(1-9)$

${\mathrm{tan\α}}_2=\frac{k_2-{\mathrm{tan\β}}_2}{1+n{\mathrm{tan\β}}_2}---(1-10)$

${\mathrm{tan\α}}_3=\frac{k_2-{\mathrm{tan\β}}_3}{1+n{\mathrm{tan\β}}_3}---(1-11)$

由此解的：

$k_1=\frac{n{\mathrm{sin\β}}_1-{\mathrm{sin\β}}_2}{n{\mathrm{cos\β}}_1-{\mathrm{cos\β}}_2}---(1-12)$

$k_2=\frac{n{\mathrm{sin\β}}_2-{\mathrm{sin\β}}_3}{n{\mathrm{cos\β}}_2-{\mathrm{cos\β}}_3}---(1-13)$

根据光线坐标位置求得：

${\mathrm{sin\β}}_1=\frac{y_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-14)$

${\mathrm{cos\β}}_1=\frac{x_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-15)$

${\mathrm{sin\β}}_2=\frac{y_2-y_1}{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}}---(1-16)$

${\mathrm{cos\β}}_2=\frac{x_2-x_1}{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}}---(1-17)$

${\mathrm{sin\β}}_3=\frac{y_3-y_2}{\sqrt{{(x_3-x_2)}^2+{(y_3-y_2)}^2}}---(1-18)$

${\mathrm{cos\β}}_3=\frac{x_3-x_2}{\sqrt{{(x_3-x_2)}^2+{(y_3-y_2)}^2}}---(1-19)$

将(1-14)(1-15)(1-16)(1-17)(1-18)(1-19)式子代入(1-12)和(1-13)，经过化简后可得到关于自由曲面的微分方程：

$k_1=\frac{dy}{dx}=\frac{{\mathrm{ny}}_1\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+{(x_2-x_1)}^2}-(y_2-y_1)\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}{{\mathrm{nx}}_1\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+{(x_2-x_1)}^2}-(x_2-x_1)\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-20)$

$k_2=\frac{dy}{dx}=\frac{{\mathrm{ny}}_2\sqrt{{(y_3-y_2)}^2+{(x_3-x_2)}^2}-(y_3-y_2)\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}{{\mathrm{nx}}_2\sqrt{{(y_3-y_2)}^2+{(x_3-x_2)}^2}-(x_3-x_2)\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}---(1-21)$

根据边界条件(1-5)和θ以及β之间的位置关系，推出

$x_2=R\frac{x_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---(1-22)$

$x_3=R\frac{x_1}{\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}---(1-23)$

将(1-22)，(1-23)带入(1-20)和(1-21)，得出自由曲面最终微分方程：

$k_1=\frac{dy}{dx}=\frac{{\mathrm{ny}}_1\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+(R\frac{x_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}-x_1)}-\left(y_2-y_1\right)\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}{{\mathrm{nx}}_1\sqrt{{(y_2-y_1)}^2+(R\frac{x_1}{\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}-x_1)}-(x_2-x_1)\sqrt{{x_1}^2+{y_1}^2}}---\left(1-24\right)$

$k_2=\frac{dy}{dx}=\frac{{\mathrm{ny}}_2\sqrt{{(y_3-y_2)}^2+(R\frac{x_2}{\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}-x_2)}-\left(y_3-y_2\right)\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}{{\mathrm{nx}}_2\sqrt{{(y_3-y_2)}^2+(R\frac{x_2}{\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}-x_2)}-(x_3-x_2)\sqrt{{x_2}^2+{y_2}^2}}---\left(1-25\right);$

(3)得到自由曲面的离散数据坐标

通过Matlab软件使用龙格库塔法即可实现对该微分方程的数值求解，并得到自由曲面的离散数据坐标；

(4)求得自由曲面透镜外形

将Matlab中自由曲面离散数据坐标导入机械制图软件solidworks中，化点为面，求得自由曲面透镜外形。

2.根据权利要求1所述的自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统，其特征在于：所述圆形灯板的具体结构为，在圆形灯板的中心处、以圆心向外发散的圆形灯板边缘处，以及中心与灯板边缘之间的中间环形处均制有距间相同的灯孔，在灯板边缘的一周灯孔内，间隔安装有相同功率的蓝绿LED组合灯珠或单个绿色LED灯珠，同样，在中间环形的一周灯孔内，也间隔安装有相同功率的蓝绿LED组合灯珠或单个绿色LED灯珠，在中心灯孔内安装相同功率的蓝绿LED组合灯珠。

3.根据权利要求1或2所述的自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统，其特征在于：所述蓝色LED为波长是459nm的蓝光LED，所述绿色LED为波长是500nm的绿光LED。

4.根据权利要求1所述的自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统，其特征在于：优选的，在自由曲面透镜面型的确定方法中，当限定照明平面的中心在Y轴上，且距原点的距离为400mm，照明平面为半径是200mm的圆形平面时，自由曲面透镜的具体结构为高100mm，最大直径100mm，最小直径为60mm，光源到自由曲面1的距离为20mm。