CN112449462A - 一种基于多曲面led的手术室照明系统 - Google Patents

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倪强
孙艳
吕剑樱
沈洋
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    • H05B45/30—Driver circuits
    • H05B45/32—Pulse-control circuits
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

本发明公开了一种基于多曲面LED的手术室照明系统，包括若干LED单元，每一LED单元分别与直流驱动模块连接；每一直流驱动模块具有一对应的控制器通过PWM信号单独控制明亮；每一LED单元外安装透镜，透镜包括第一自由曲面和第二自由曲面；从第一自由曲面的第一出射光线为：
Figure DDA0002789309990000011
从第二自由曲面的第二出射光线为：T1β＝(ρ2βsinβ+ρ2cosβ，0，ρ2βcosβ‑ρ2sinβ)；LED单元的出射光线经过第一自由曲面产生均匀的第一圆形照射面；再经第二自由曲面之后照射面压缩产生均匀的第二圆形照射面；第二圆形照射面的面积小于第一圆形照射面。本发明的两个自由曲面面组成透镜，可以尽可能收集光源的发射。有效的保持无闪烁和高发光效率，通过合理的配制分布，减轻空气流干扰并为手术室提供合适的照明条件。

Description

一种基于多曲面LED的手术室照明系统
技术领域
本发明涉及LED照明领域，具体涉及一种基于多曲面LED的手术室照明系统。
背景技术
卤素灯与特定的光学系统耦合已被广泛用作无菌手术室内的光源。但是，由于其存在的许多缺点，例如红外线和紫外线(可能威胁患者和医生的健康)，体积大，效率低和寿命短等，表明卤素灯可能不会是外科手术照明的最佳解决方案。
因此多采用LED替代，但仍未解决主要由手术照明系统的结构引起的层流扰动，如对无菌伤口区域清洁度的影响，甚至可能会增加伤口感染的可能性。
而且为了实现节能，LED电光源的闪烁一直是人们关注的问题。光源的闪烁可能还会导致健康风险，例如全身乏力，头痛和视力下降等。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多曲面LED的手术室照明系统，可以解决上述技术问题中的一个或是多个。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案如下：
一种基于多曲面LED的手术室照明系统，包括若干LED单元，每一LED单元分别与直流驱动模块连接；每一所述直流驱动模块具有一对应的控制器通过PWM信号单独控制明亮；
每一所述LED单元外安装透镜，所述透镜包括第一自由曲面和第二自由曲面；
从所述第一自由曲面的第一出射光线为：
Figure BDA0002789309970000011
从所述第二自由曲面的第二出射光线为：
T1β＝(ρ2βsinβ+ρ2cosβ，0，ρ2βcosβ-ρ2sinβ)；
LED单元的出射光线经过第一自由曲面产生均匀的第一圆形照射面；再经第二自由曲面之后照射面压缩产生均匀的第二圆形照射面；所述第二圆形照射面的面积小于所述第一圆形照射面。
进一步的：每一所述LED单元直径为0.05m，安装高度为3m，从LED出发到达最佳照射面光线的长度为2.2m。
进一步的：所述透镜直径不低于20cm。
进一步的：所述控制器型号为DMX512。
进一步的：所述LED单元安装在万向节上，万向节通过移动组件安装在既定轨道上。
本发明的技术效果是：
1、使用两个自由折射面组成LED透镜单元，可以尽可能收集光源的发射。
2、使用的直流驱动技术可以保持无闪烁和高发光效率，且成本较低。
3、通过合理的配制各个LED的分布(包括但不限于LED透镜的直径、安装高度、LED透镜的个数，相邻LED透镜之间的距离等)，可以减轻空气流干扰并为手术室提供合适的照明条件。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是照明系统的配置示意图一(正视示意图)
图2是照明系统的配置示意图(侧视示意图)
图3是自由曲面的几何关系示意图；
图4是直流驱动技术的基本结构图；
图5是直流驱动技术的工作原理图；
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、LED单元，2、直流驱动模块，3、轨道，4、天花板，5、操作台。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的不当限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1、图2所示。基于多曲面LED的手术室照明系统，包括若干LED单元(嵌入天花板中)，每一LED单元分别与直流驱动模块连接；每一所述直流驱动模块具有一对应的控制器通过PWM信号单独控制明亮。所述控制器型号为DMX512。
为了减小光源的闪烁带来的影响，电流控制的降压转换器以不连续导通模式(DCM)工作，并在调光期内利用分配PWM脉冲的方法确保较小的输出电压。所述透镜直径不低于20cm。
每一所述LED单元直径为0.05m，安装高度为3m(天花板距离地面)，从LED出发到达最佳照射面光线的长度为2.2m(操作台的高度为0.8m)。此时由LED单元射出的光束具有最小的发散角。
所述LED单元安装在万向节上，可以调整方向；同时万向节通过移动组件安装在既定轨道上。轨道是按照照明的需要设定的，移动组件例如丝杠组件、天车等。
图4为直流驱动模块的基本结构图。
首先是通过控制器将光源的亮度值提供给调光数值发生器，数值发生器产生初始调光值，
然后根据LED电流从0增加到过载值的持续时间得到数值发生器的输出电压DV的值，
将DV的值馈入由L298N驱动模块控制的PWM信号发生器(型号是SG-FZS)，PWM信号发生器会根据PWM信号选择压降转换器的打开或关闭。再利用电流传感器(光耦合器感应)LED的过电流，再通过电阻用于检测开关的电流。
再如图5所示。为直流驱动技术的工作原理图。其中DC-DC电源提供24V输入电压。数值发生器在ARM芯片上实现，而PWM信号发生器(型号是SG-FZS)的PWM信号由可编程逻辑器件(CPLD)实现。通过调节周期内电感器电流的脉冲数来控制使用所提出的直流驱动技术获得的亮度。
此外，在开关期间是否提供电感器电流脉冲和PWM脉冲由脉冲发生器产生的调光数字值唯一确定。对于大多数LED而言，正向电压不会随电流而显著变化，因此通过将平均电流视为与亮度值成正比来实现调光。此外当LED发生短路时，可再次产生PWM信号以限制LED的电流。
每一所述LED单元外安装透镜，所述透镜包括第一自由曲面和第二自由曲面。
图3为自由曲面的几何关系示意图，采用有两个自由曲面的透镜，第一个自由曲面用于收集光源的大角度发射并产生均匀的圆形半径为R1(R1>R0)的目标平面上的图形，然后由第一自由曲面产生的这种均匀图形图案将被第二自由曲面压缩。
假设光从原点S射出，与第一面透镜A相交于点
Figure BDA0002789309970000031
与第二面透镜交于点T1(x1,0,z1)。
则T0在
Figure BDA0002789309970000032
方向上的一阶偏导数为：
Figure BDA0002789309970000033
其中
Figure BDA0002789309970000034
是ρ1在
Figure BDA0002789309970000035
方向上的一阶偏导数(从所述第一自由曲面的第一出射光线为):
Figure BDA0002789309970000036
Figure BDA0002789309970000041
则从点T0到T1的出射射线的方向向量O可以写成：
Figure BDA0002789309970000042
T1在β方向上的一阶偏导数(从所述第二自由曲面的第二出射光线为)为：
T1β＝(ρ2βsinβ+ρ2cosβ，0，ρ2βcosβ-ρ2sinβ) (5)
其中，ρ1代表第一面透镜的入射点与原点所成光线的长度，ρ2为第二面透镜的入射点与原点所成光线的长度。
Figure BDA0002789309970000043
为入射光线ρ1与原点所成的夹角，β为第一曲面出射光线与原点所成夹角。n1代表第一面透镜的折射率.n2代表第二面透镜的折射率。
LED单元的出射光线经过第一自由曲面产生均匀的第一圆形照射面；再经第二自由曲面之后照射面压缩产生均匀的第二圆形照射面；所述第二圆形照射面的面积小于所述第一圆形照射面。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于多曲面LED的手术室照明系统，其特征在于：包括若干LED单元，每一LED单元分别与直流驱动模块连接；每一所述直流驱动模块具有一对应的控制器通过PWM信号单独控制明亮；
每一所述LED单元外安装透镜，所述透镜包括第一自由曲面和第二自由曲面；
从所述第一自由曲面的第一出射光线为：
Figure FDA0002789309960000011
从所述第二自由曲面的第二出射光线为：
T1β＝(ρ2βsinβ+ρ2cosβ，0，ρ2βcosβ-p2sinβ)；
LED单元的出射光线经过第一自由曲面产生均匀的第一圆形照射面；再经第二自由曲面之后照射面压缩产生均匀的第二圆形照射面；
所述第二圆形照射面的面积小于所述第一圆形照射面。
2.根据权利要求1所述的基于多曲面LED的手术室照明系统，其特征在于：每一所述LED单元直径为0.05m，安装高度为3m，从LED出发到达最佳照射面光线的长度为2.2m。
3.根据权利要求1所述的基于多曲面LED的手术室照明系统，其特征在于：所述透镜直径不低于20cm。
4.根据权利要求1所述的基于多曲面LED的手术室照明系统，其特征在于：所述控制器型号为DMX512。
5.根据权利要求1所述的基于多曲面LED的手术室照明系统，其特征在于：所述LED单元安装在万向节上，万向节通过移动组件安装在既定轨道上。
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