CN107559770A - 一种用于led无影灯的全反射聚焦方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于LED无影灯的全反射聚焦方法及装置。其特征是：包括全反射聚焦装置单元，以S点和D点为圆心分别构成相交的S圆和D圆，以S圆和D圆的圆心为焦点构成共轭的椭圆，全反射聚焦装置单元的全反射面位于椭圆的曲线区段，当S点发射出的入射光以大于等于全反射聚焦装置临界角的入射角α射至其位于椭圆的曲线区段上的全反射面时能被全反射至D点,S圆与D圆的交点和S圆与椭圆的交点之间构成入射面，S圆与D圆的交点和D圆与椭圆的交点之间构成出光面，椭圆与S圆和D圆的交点之间的曲线段构成全反射面。本发明具有光路短、光损小、光的利用率更高，所需灯具功率小、发热量小，形成的光斑细腻，不会产生眩光等优点。

Description

一种用于LED无影灯的全反射聚焦方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于LED无影灯的全反射聚焦方法及装置，属于医用无影手术灯领域。

背景技术

在现有技术中，用于医院手术室的LED无影灯一般采用反射方式将光源聚焦形成无影光照区，但普遍存在光损过大或反射介质要求过高的缺陷，为了达到手术无影光照区所需的光斑照度要求，需要较大功率的灯具来实现，因此产生的热量大，灯具散热慢，加剧了光的衰减，影响无影灯的光照效果和使用寿命，其形成的光斑较大，无法形成更小的无影光照区，还会产生眩光等不利于手术的缺陷，已不适应现代手术发展的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有无影手术灯存在光损、眩光的问题，而寻求一种光路短，光的有效利用率高的聚焦方法，重新设计提供一种用于LED无影灯的全反射聚焦方法及装置，该方法及装置通过采用全反射方法将光源聚焦至无影光照区，由该方法构形的装置及其LED无影灯通过较小的功率即可实现更好的照度，其产生的热量小，而且全反射方式不会存在光损问题，能形成更为均匀细腻的无影光斑，使无影光照区的视觉效果更好。

本发明所采用的技术方案实施原理构思是：

根据全反射原理，正弦的平方减去余弦的平方的值为负数时就会产生全反射，临界值为零，如果值为正数即是折射，等于零的时候开始全反射，正弦的平方减去余弦的平方的值为负数时才能满足全反射区间。根据光学材料的不同，临界角会有差异，所以，为达到全反射条件，本发明的实施方式中，主要选用PC(39°)和PMMA(42°),所以只要大于或等于42°时，都实现光的全反射。

基于这个基本原理，本发明创新设计一个全反射聚焦装置，光源由S点发射出来的光，能满足全反射条件而汇聚到D点。

根据椭圆的性质，椭圆上的任意一条切线与切点处的两条焦半径所成的角相等，这就从理论上可推断出由S点发射出去的光只要满足了全反射条件，那么它们将都会全反射到D点的无影光照区A。本发明人将S点和D点做为椭圆的两个焦点来建立这个全反射聚焦装置的模型。为了满足全反射光的要求，首先，全反射聚焦装置采用透明材质(光从光密介质进入光疏介质)，其次，因为从S点发射出来的光是一个光束，有一定的发散角度，为了让所有的光束都能满足全反射要求，一条椭圆的曲线或曲线段不能满足从S点发射出来的发散角光束，只能对入射光进行分段设计。以S点为圆心，以S点到台阶面为半径来确定入射面的高度，以D点为圆心，以D点到台阶面为半径来确定出光面的宽度。因为两条曲线(以S和D圆心的圆)都是在光源和焦点的圆，所以要和这两个圆共轭的椭圆，在一个坐标轴内全反射面只有一个解，就是和以焦点为中心的椭圆，因短轴变化而产生的与以焦点为中心的圆有交点的，同时能与光源点为中心的圆的弧距离在设计要求内的椭圆，这样就构成了需要的全反射面。

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种用于LED无影灯的全反射聚焦方法，其特征是：包括透明材质构造的全反射聚焦装置单元，以光源的S点和无影光照区A的D点为圆心分别构成相交的S圆和D圆，以S圆和D圆的圆心为焦点构成共轭的椭圆，所述全反射聚焦装置单元的全反射面位于所述椭圆的曲线区段，当S点发射出的入射光以大于等于所述全反射聚焦装置临界角的入射角α射至其位于所述椭圆的曲线区段上的全反射面时能被全反射至无影光照区A的D点。

本技术方案中，所述临界角为30°-49.9°，所述入射角α大于等于30°。

根据本发明的方法还提供一种用于LED无影灯的全反射聚焦装置，其特征是：包括入射面、出光面、全反射面和结构面构成的全反射聚焦装置单元，所述全反射聚焦装置单元为透明材质构造，以光源的S点和无影光照区A的D点为圆心分别构成相交的S圆和D圆，以S圆和D圆的圆心为焦点构成共轭的椭圆，S圆与D圆的交点和S圆与椭圆的交点之间构成所述入射面，S圆与D圆的交点和D圆与椭圆的交点之间构成所述出光面，椭圆与S圆和D圆的交点之间的曲线段构成所述全反射面。

本技术方案中，数个所述全反射聚焦装置单元的所述全反射面和入射面依次首尾相接成多级阶梯构成一弧状扇形结构的全反射聚焦模块Ⅱ，每个所述入射面的高度为S圆的曲线上与D圆的焦点到S圆与椭圆的焦点整段或其中一段，可通过公式S²＝(x-c)²+y²得出，每个所述出光面的宽度为D圆的曲线上与S圆的焦点到D圆与椭圆的焦点整段或其中一段，可通过公式D²＝(x+c)²+y²得出，数个入射光源装置对应所述入射面设置，使通过入射光源装置以入射光线夹角δ发射出的入射光能从数个所述入射面进入所述全反射聚焦模块Ⅱ并通过数个所述全反射面全反射至无影光照区A的D点。

本技术方案中，所述入射光线夹角δ为0-80°。

本技术方案中，多块所述全反射聚焦模块Ⅱ组合构成一整体全反射聚焦装置，数个所述入射光源装置环绕所述全反射聚焦装置的外围边缘设置，或数个所述入射光源装置置于所述全反射聚焦装置的中心部位环形设置。

在本发明的实施方式中，全反射聚焦装置单元的透明材质可以是PC构造或PMMA构造或光学玻璃构造。

本发明具有的主要优点和有益效果是：

1、在本技术方案中，通过全反射原理并采用能实现全反射的光学材料尤其是透明材质构造的全反射聚焦装置单元，光损失为零，经全反射形成的光斑更为细腻，使得光斑重叠形成更小的无影光照区，其无影光照区的视光效果更好。

2、由于采用本发明技术方案，光路短、光的利用率更高，不仅所需灯具功率小，且达到的光照效果更好，其发热量小，散热快，可有效地减少LED光的衰减，并延长了无影手术灯的使用寿命，在提高光效利用率的同时，解决了散热的问题，更进一步满足了无影光照区的有效照度。

3、本发明的全反射聚焦模块Ⅱ是由数个全反射聚焦装置单元的全反射面和入射面依次首尾相接成多级阶梯构成一弧状扇形结构，分段实现全反射，提高了光斑的均匀度，同时解决了眩光的问题。

附图说明

图1是本发明的全反射聚焦装置单元立体结构主视图。

图2是本发明的全反射聚焦装置单元构成原理图。

图3是图2中I处局部放大示意图。

图4是本发明的全反射聚焦装置单元截面光路结构示意图。

图5是本发明的全反射聚焦模块Ⅱ截面光路结构示意图。

图6是本发明的全反射聚焦模块Ⅱ立体结构示意图。

图7是本发明的全反射聚焦模块Ⅱ平面结构示意图。

图8是本发明的全反射聚焦装置平面结构示意图。

图9是本发明的全反射聚焦装置实施状态截面光路结构示意图。

附图标注说明：1-入射面、2-全反射面、3-出光面、4-结构面、5-S圆、6-D圆、7-椭圆、8-入射光、9-全反射光、10-法线、11-入射光源装置、12-壳体、13-光斑调节装置、14-手柄、15-防护罩。

具体实施方式

现在将参照附图所示的优选实施例对本发明作进一步详细描述。

为了彻底理解本发明，在以下优选实施例的描述中展示了大量的具体细节，然而对于本领域的技术人员显而易见的是可以不采用这些特定的细节中的一部分或所有部分来实施本发明，但不管怎样实施，本发明内容不受其形状构造的局限，只要是采用本发明技术方法，均应在本发明实施方案中。

为实现本发明的目的，根据全反射原理，正弦的平方减去余弦的平方的值为负数时就会产生全反射，临界值为零，如果值为正数即是折射，等于零的时候开始全反射，正弦的平方减去余弦的平方的值为负数时才能满足全反射区间。根据光学材料的不同，临界角会有差异，所以，为达到全反射条件，本发明的实施方式中，主要选用PC(39°)和PMMA(42°),所以只要大于或等于42°时，都实现光的全反射。

基于这个基本原理，本发明创新设计一个全反射聚焦装置，光源由S点发射出来的光，能满足全反射条件而汇聚到D点。

根据椭圆的性质，椭圆上的任意一条切线与切点处的两条焦半径所成的角相等，这就从理论上可推断出由S点发射出去的光只要满足了全反射条件，那么它们将都会全反射到D点的无影光照区A。本发明人将S点和D点做为椭圆的两个焦点来建立这个全反射聚焦装置的模型。为了满足全反射光的要求，首先，全反射聚焦装置采用透明材质(光从光密介质进入光疏介质)，其次，因为从S点发射出来的光是一个光束，有一定的发散角度，为了让所有的光束都能满足全反射要求，一条椭圆的曲线或曲线段不能满足从S点发射出来的发散角光束，只能对入射光进行分段设计。以S点为圆心，以S点到台阶面为半径来确定入射面的高度，以D点为圆心，以D点到台阶面为半径来确定出光面的宽度。因为两条曲线(以S和D圆心的圆)都是在光源和焦点的圆，所以要和这两个圆共轭的椭圆，在一个坐标轴内全反射面只有一个解，就是和以焦点为中心的椭圆，因短轴变化而产生的与以焦点为中心的圆有交点的，同时能与光源点为中心的圆的弧距离在设计要求内的椭圆，这样就构成了需要的全反射面。

本发明的设计计算公式为，椭圆的焦点在长轴a上，当几何中心O为(0.0)，椭圆的两个焦点分别为(-c.0)和(c.0)，而长轴为2c后，椭圆可以有无穷个，这就是可以将数个全反射聚焦装置单元通过全反射面和入射面依次首尾相接成多级阶梯构成一弧状扇形结构的全反射聚焦模块Ⅱ的原因，设定光源至无影光照区A的工作距离为D点(-c.0)与S点(c.0)之间的直径，这样就确定了所需椭圆的两个焦点，S圆的交点S²＝(x-c)²+y²与D圆的交点D²＝(x+c)²+y²，取交点上的弦长为入射面的高度和出光面的宽度，可得两个交点的坐标，代入椭圆的方程因为椭圆的c点确定且c²＝a²-b²，代入(x、y)值，可得全反射面椭圆的标准方程。

作为一种改进的实施方式，在本发明的实施构思中，还提供了一种可实现本发明全反射聚光的方法，即：以S、D为椭圆焦点、以D圆为半径作出光面宽度，以S圆半径为入射面高度可得S圆、D圆和以S圆和D圆的圆心为焦点构成共轭的椭圆，在不改变椭圆焦点和斜率的情况下，可以放大或缩小椭圆，改变S圆和D圆半径、亦可获得全反射区间和每一段阶梯的全反射面。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，其构成：由1-入射面、2-全反射面、3-出光面、4-结构面、5-S圆、6-D圆、7-椭圆、8-入射光、9-全反射光、10-法线、11-入射光源装置、12-壳体、13-光斑调节装置、14-手柄、15-防护罩及紧固件和连接构件等装配而成。

本发明的具体构造特点是：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，

一种用于LED无影灯的全反射聚焦方法，其特征是：包括透明材质构造的全反射聚焦装置单元，以光源的S点和无影光照区A的D点为圆心分别构成相交的S圆5和D圆6，以S圆和D圆的圆心为焦点构成共轭的椭圆7，所述全反射聚焦装置单元的全反射面3位于所述椭圆的曲线区段，当S点发射出的入射光8以大于等于所述全反射聚焦装置临界角的入射角α射至其位于所述椭圆的曲线区段上的全反射面时能被全反射至无影光照区A的D点。

在本实施方式中，所述临界角为30°-49.9°，所述入射角α大于等于30°。

更具体地说，本发明的透明材质如采用PC材质构造时，其临界角为39°，为满足全反射条件，其入射角α只要大于等于39°即可，而当采用PMMA材质构造时，其临界角为42°，为满足全反射条件，其入射角α只要大于等于42°或即可。

根据本发明的方法，还提供一种用于LED无影灯的全反射聚焦装置，其特征是：包括入射面1、出光面2、全反射面3和结构面4构成的全反射聚焦装置单元，所述全反射聚焦装置单元为透明材质构造，以光源的S点和无影光照区A的D点为圆心分别构成相交的S圆5和D圆6，以S圆和D圆的圆心为焦点构成共轭的椭圆7，S圆与D圆的交点和S圆与椭圆的交点之间构成所述入射面，S圆与D圆的交点和D圆与椭圆的交点之间构成所述出光面，椭圆与S圆和D圆的交点之间的曲线段构成所述全反射面。

在本实施方式中，如图5、图6、图7所示，数个所述全反射聚焦装置单元的全反射面3和入射面1依次首尾相接成多级阶梯构成一弧状扇形结构的全反射聚焦模块Ⅱ，每个所述入射面1的高度为S圆的曲线上与D圆的焦点到S圆与椭圆的焦点整段或其中一段，可通过公式S²＝(x-c)²+y²得出，每个所述出光面的宽度为D圆的曲线上与S圆的焦点到D圆与椭圆的焦点整段或其中一段，可通过公式D²＝(x+c)²+y²得出，数个入射光源装置11对应所述入射面设置，使通过入射光源装置以入射光线夹角δ发射出的入射光8能从数个所述入射面进入所述全反射聚焦模块Ⅱ并通过数个所述全反射面3全反射至无影光照区A的D点。

在本实施方式中，所述入射光线夹角δ为0-80°。

在本实施方式中，如图8所示，多块所述全反射聚焦模块Ⅱ组合构成一整体全反射聚焦装置，数个所述入射光源装置11对应入射面1环绕所述全反射聚焦装置的外围边缘设置。

应当注意地是，数个所述入射光源装置11对应入射面1置于所述全反射聚焦装置的中心部位环形设置，在这种结构中，其全反射聚焦装置单元和全反射聚焦模块Ⅱ以及全反射聚焦装置的整体形状和位置布局会产生相应的变化，这种变化是根据光源装置11的位置与入射面1的位置来相应改变的。

参照图9，图9示出了采用本发明的方法及装置所应用于手术灯的具体实施结构，在该实施结构中全反射聚焦模块Ⅱ是由数个全反射面3和入射面1依次首尾相接的全反射聚焦装置单元成多级阶梯构的弧状扇形结构，由数块全反射聚焦模块Ⅱ组合构成圆盘状的全反射聚焦装置，全反射聚焦装置设在壳体12与防护罩15中，数个所述入射光源装置11对应入射面1环绕所述全反射聚焦装置的外围边缘设置，使入射光源装置11发射出的数条入射光8从数个入射面1进入全反射聚焦装置并分别以大于等于全反射聚焦装置临界角的入射角度至相应的全反射面3，通过全反射面3形成的全反射光9聚焦形成无影光照区A。

在本发明的实施方式中，全反射聚焦装置单元通过全反射原理并采用能实现全反射的光学材料尤其是透明材质构造，其中的透明材质可以是PC构造或PMMA构造或光学玻璃构造。

虽然本发明结合不同优选实施说明，应该理解可以在其上进行不同的修改以及改变，如不偏离本发明在权利要求中提出的范围。也就是说，本发明不局限于上述实施方式，可以通过采用本发明中光的全反射原理，或通过本发明的设计结构构造并利用光的反射原理或光的折射原理与反射原理相结合而得到的均属于本发明的权利要求所保护的范围。

Claims (6)

1.一种用于LED无影灯的全反射聚焦方法，其特征是：包括透明材质构造的全反射聚焦装置单元，以光源的S点和无影光照区A的D点为圆心分别构成相交的S圆(5)和D圆(6)，以S圆和D圆的圆心为焦点构成共轭的椭圆(7)，所述全反射聚焦装置单元的全反射面(3)位于所述椭圆的曲线区段，当S点发射出的入射光(8)以大于等于所述全反射聚焦装置临界角的入射角α射至其位于所述椭圆的曲线区段上的全反射面时能被全反射至无影光照区A的D点。

2.一种用于LED无影灯的全反射聚焦方法，其特征是：所述临界角为30°-49.9°，所述入射角α大于等于30°。

3.一种用于LED无影灯的全反射聚焦装置，其特征是：包括入射面(1)、出光面(2)、全反射面(3)和结构面(4)构成的全反射聚焦装置单元，所述全反射聚焦装置单元为透明材质构造，以光源的S点和无影光照区A的D点为圆心分别构成相交的S圆(5)和D圆(6)，以S圆和D圆的圆心为焦点构成共轭的椭圆(7)，S圆与D圆的交点和S圆与椭圆的交点之间构成所述入射面，S圆与D圆的交点和D圆与椭圆的交点之间构成所述出光面，椭圆与S圆和D圆的交点之间的曲线段构成所述全反射面。

4.根据权利要求3所述的一种用于LED无影灯的全反射聚焦装置，其特征是：数个所述全反射聚焦装置单元的所述全反射面(3)和入射面(1)依次首尾相接成多级阶梯构成一弧状扇形结构的全反射聚焦模块Ⅱ，每个所述入射面(1)的高度为S²＝(x-c)²+y²，每个所述出光面(2)的宽度为D²＝(x+c)²+y²，数个入射光源装置(11)对应所述入射面设置，使通过入射光源装置以入射光线夹角δ发射出的入射光(8)能从数个所述入射面进入所述全反射聚焦模块Ⅱ并通过数个所述全反射面(3)全反射至无影光照区A的D点。

5.根据权利要求4所述的一种用于LED无影灯的全反射聚焦装置，其特征是：所述入射光线夹角δ为0-80°。

6.根据权利要求4所述的一种用于LED无影灯的全反射聚焦装置，其特征是：多块所述全反射聚焦模块Ⅱ组合构成一整体全反射聚焦装置，数个所述入射光源装置(11)环绕所述全反射聚焦装置的外围边缘设置，或数个所述入射光源装置(11)置于所述全反射聚焦装置的中心部位环形设置。