CN111396762A - 消像差非球面三透镜手术led头灯 - Google Patents

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季敏标
王文硕
敖建鹏
管钦毅
贺若愚
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Zhejiang Fude Medical Photoelectric Co ltd
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Zhejiang Fude Medical Photoelectric Co ltd
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Abstract

本发明属于光学器件技术领域，具体为消像差非球面三透镜手术LED头灯。本发明设计的消像差非球面三透镜手术LED头灯，包括LED光源A、消像差成像光学透镜组B；成像光学透镜组B包括第一透镜B1、第二透镜B2与第三透镜B3。其中，透镜B1为球面透镜，材质为BK7；透镜B2为非球面透镜，材质为PMMA；透镜B3为球面透镜，材质为PMMA。LED灯片发出的光线自前向后依次经过球面透镜B1、非球面透镜B2、球面透镜B3。该头灯的光学透镜系统不仅保证了光斑的基础均匀性，而且通过高效的像差矫正方法使得光斑的像边缘清晰，降低了光晕对视场的干扰。

Description

消像差非球面三透镜手术LED头灯
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，具体涉及消像差非球面三透镜手术LED头灯。
背景技术
在精密外科手术中，虽然有无影灯提供的无阴影照明环境，但这种大范围的照明方式在局部手术区域往往亮度不足，需要额外的照明措施。而另一方面，外科医生的双手并不方便去操作手持式的照明工具，若依靠护士的协助也存在同步交流等默契问题。因此，头戴式的照明装置应运而生，节省人力的同时保障了医生们的工作效率。
手术头灯出现以后经过了大量的实践完善，如今在电学控制上通过加入传感器等模块化组件，提升了头灯的智能化与多功能化；在机械组装上也通过结构改良等方法优化了头灯的轻便性与舒适性。但对于这么一个照明器件，目前却鲜有针对光学部分进行完善设计的工作，使得头灯的照射光斑存在照度不均以及边缘模糊的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消像差非球面三透镜手术LED头灯，以解决现有技术中存在的头灯出射光斑像质不均，光场边缘模糊的问题。
本发明设计的消像差非球面三透镜手术LED头灯，其结构包括：高功率LED光源A以及消像差光学透镜组B；参见图1所示，其中：
所述的高功率LED光源A的功率不小于3W，色温为3500-5500K，在外科医生精神高度紧张且集中用眼的情况下不易引起视疲劳；可确保照明的基础亮度与视觉舒适性；
所述的消像差光学透镜组B，包括依次排布的第一透镜B1、第二透镜B2与第三透镜B3；LED光源A发出的光线自前向后依次经过第一透镜B1、第二透镜B2、第三透镜B3后对物体照明。参见图1所示。
进一步的，所述的LED光源至第三透镜的光学系统总长小于22mm。其中，LED光源至第一透镜的空气间隔为1-3mm，第一透镜到第二透镜的空气间隔为7-12mm，第二透镜至第三透镜的空气间隔小于2mm。
进一步的，所述的第一透镜B1，为球面平凸透镜，材质为BK7。
进一步的，所述的第二透镜B2，为非球面平凸透镜，材质为PMMA。
进一步的，所述的第三透镜B3，为球面平凸透镜，材质为PMMA。
与现有手术LED头灯相比，本发明的技术效果使积极和明显的。本发明针对精密外科手术的场合，提供了一种消像差非球面三透镜手术LED头灯的光学设计。所述设计采用ZEMAX软件对LED光源后的光学照明透镜组进行优化，得出了新型有效的非球面三透镜结构。其有益性充分体现在：
（1）本发明采用的高功率LED灯片提供高亮度的同时兼顾了色温选取，保证了精密工作人员的用眼舒适性；
（2）本发明设计的三透镜结构精巧，合理优化的非球面结构有效的消除了像差干扰，实现了光源在目标面上的高像质光斑投射；
（3）本发明选用的B2,B3透镜材质为PMMA，有利于降低成本并减轻头灯重量。
综上所述，本发明结构精妙，优先矫正了光学透镜组自身带来像差问题，使LED头灯出射的光斑边缘清晰，不存在明显的光晕干扰。
附图说明
图1为本发明消像差非球面三透镜光学系统示意图。
图2为本发明实施例中接收面光场分布仿真图。
图中标号：A-高功率LED光源；B-成像光学透镜组，B1-第一透镜，B2-第二透镜，B3-第三透镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明设计的一种消像差非球面三透镜手术LED头灯，包括高功率LED光源A以及消像差光学透镜组B。所述高功率LED光源在本实施例中选用的是首尔半导体SZ8-Y19-WN-C9型号，最大功率可达7.8W，色温为3700-4700K的自然白，显色指数达90%。所述成像透镜组B包括第一透镜B1、第二透镜B2与第三透镜B3。其中，B1为BK7材质的球面平凸透镜，B2为PMMA材质的非球面平凸透镜，B3为PMMA材质的球面平凸透镜。
本实施例中，经过ZEMAX软件优化，所得三个透镜的光学参数如表1所示。LED至第一透镜前表面的空气间隔为2mm，第一透镜后表面至第二透镜前表面的空气间隔为9.87mm，第二透镜后表面至第三透镜前表面的空气间隔为0.1mm。整个光学系统的总长为21.01mm。所述前表面表示靠近LED光源的一侧，反之为后表面。
非球面表达式为：
Figure 87353DEST_PATH_IMAGE001
式中，Z表示光轴方向的位置，r表示垂直于光轴方向的高度，c表示曲率半径，k表示圆 锥系数，
Figure 942176DEST_PATH_IMAGE002
表示非球面系数。
第二透镜B2的非球面系数为：
Figure 908864DEST_PATH_IMAGE003
。
如图2所示，本实施例中，该消像差非球面三透镜在光线追迹的仿真下模拟了像面上的光场分布。从右侧的剖面曲线可以看到整个光斑的边缘非常的锐利，曲线斜率接近阶跃型函数。
综上所述，本发明提出的消像差非球面三透镜能够出LED发出的光线进行整形，使出射光斑像质清晰，无明显像差，减小了周围光晕对视野的干扰。
实施例中仅选取了特定的LED光源与三透镜尺寸，用于具体说明本发明的实验思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、实验思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
表1，透镜组B1、B2、B3的光学参数
Figure 241757DEST_PATH_IMAGE005
。

Claims (5)

1.一种消像差非球面三透镜手术LED头灯，其特征在于，结构包括：高功率LED光源以及消像差光学透镜组；其中：
所述的高功率LED光源的功率不小于3W，色温为3500-5500K；
所述的消像差光学透镜组，包括依次排布的第一透镜、第二透镜与第三透镜；LED光源发出的光线自前向后依次经过第一透镜、第二透镜、第三透镜后对物体照明。
2.根据权利要求1所述的消像差非球面三透镜手术LED头灯，其特征在于，所述LED光源至第三透镜的光学系统总长小于22mm；其中，LED光源至第一透镜的空气间隔为1-3mm，第一透镜到第二透镜的空气间隔为7-12mm，第二透镜至第三透镜的空气间隔小于2mm。
3.根据权利要求1或2所述的消像差非球面三透镜手术LED头灯，其特征在于，所述的第一透镜为球面平凸透镜，材质为BK7。
4.根据权利要求1或2所述的消像差非球面三透镜手术LED头灯，其特征在于，所述的第二透镜为非球面平凸透镜，材质为PMMA。
5.根据权利要求1或2所述的消像差非球面三透镜手术LED头灯，其特征在于，所述的第三透镜为球面平凸透镜，材质为PMMA。
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