CN116369840A - 一种无亮斑投影照明系统及其工作方法 - Google Patents

一种无亮斑投影照明系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及照明系统技术领域，提供了一种无亮斑投影照明系统及其工作方法，该无亮斑投影照明系统包括镜筒支架、间隔设置在镜筒支架上的多个灯珠、分别设置在对应的灯珠上的多个投影镜头以及分别设置在镜筒支架的两端的镀膜高反镜面和光学窗口；该无亮斑投影照明系统利用光束整形定向投射、多方向反射投射照明相结合的技术实现了无亮斑均匀照明，避免了手术监视系统获得的手术人眼图像出现局部亮斑的情况，即避免人眼图像中出现局部亮度过高，从而湮没人眼图像局部信息，造成信息缺失影响人眼特征边界提取精度，影响手术镜头组光轴与人眼光轴的对准精度的情况，提高了手术中医生的观察和手术实施的精准度、安全性和可靠性。

Description

一种无亮斑投影照明系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及照明系统技术领域，特别是涉及一种无亮斑投影照明系统及其工作方法。
背景技术
在飞秒激光眼科手术治疗设备领域，需要对人眼进行实时视频监视以便于手术医生观察手术进程以保证手术安全且顺利进行。为了使成像系统获得的手术人眼的图像清晰明亮，会在手术设备的光学镜筒内部设置照明系统以满足眼科手术照明的需要。目前，照明方案均采用利用LED灯珠在光学镜筒内部均匀排布直接照明的技术方案。具体地，LED灯珠固定在镜筒上，灯珠会从镜筒壁中伸出一部分以实现对手术眼区域的照明，其中不同技术方案中LED灯珠的几何轴线与人眼所在平面的夹角不同。
现有技术方案中LenSx、LensAR、Catalys、VICTUS等飞秒激光眼科手术设备在光学通路中的照明方案为6颗灯珠呈环状对置均匀分布，灯珠的光轴与光学镜筒中轴呈90°或45°夹角分布。这样的排布方案对实时视频监控系统成像来说有诸多不利因素：
其一，LED灯珠直接照明方案中，LED灯珠发出的光线经过镜筒下端光学窗口反射后，经过光学镜筒内的光学系统进入到视频成像系统中，由光电传感器件成像并显示在设备显示屏幕上。根据光路可逆原理，LED灯珠的像被光电转换器件接收并显示在显示屏幕上，所以会在图像上显示LED灯珠的亮斑。
其二，LED灯珠发出的光线经过镜筒上端的镜头表面反射，反射后光线入射到镜筒下端的光学窗口，经由光学窗口表面反射后通过光学镜筒内的光学系统进入到视频成像系统中，由光电传感器件成像并显示在设备显示屏幕上。同样地，LED灯珠的像会在显示的图像中呈现高亮状态，造成图像局部高亮形成亮斑。
其三，由于光学镜筒内有多个光学元件，每个光学元件表面会产生不同程度的反射，造成视频图像采集系统获取的图像存在不同尺度径向分布的LED灯珠的像，从而形成不同明亮程度的多环亮斑，影响手术医生观察质量。
在飞秒激光眼科手术设备应用的过程中，需要利用实时视频成像系统获取人眼诸如虹膜、瞳孔等图像信息利用图像处理技术实现定位，以指导人眼对接系统光轴与人眼光轴对准。由于上述几种情况照明所产生的图像亮斑会一定程度上湮没获取的图像中部分人眼结构信息，造成局部信息的缺失对人眼结构边界的划分产生不利影响，从而影响设备光轴与人眼光轴的对准，影响人眼对接的精度。
发明内容
本发明的一目的是，提供一种无亮斑投影照明系统及其工作方法，该系统能够实现无亮斑均匀照明，解决了由LED灯珠的多圈像所造成的图像局部亮斑的问题，有利于提高在飞秒激光手术中医生的观察和手术实施的精准度、安全性和可靠性。
本发明在一方面提供了一种无亮斑投影照明系统，包括：
镜筒支架；
多个灯珠，间隔设置在所述镜筒支架上；
多个投影镜头，分别设置在对应的灯珠上；
镀膜高反镜面，其设置在所述镜筒支架一端并被设置为弧形镜面；
光学窗口，其设置在所述镜筒支架的另一端；
其中，所述灯珠用于发出光束；所述投影镜头用于对所述灯珠发出的光束进行整形并投射到所述镀膜高反镜面上，所述镀膜高反镜面用于将整形后的光束定向反射至所述光学窗口。
在本发明的一实施例中，所述镀膜高反镜面为通过镀膜工艺将高反射率材料镀在所述镜筒支架内侧壁的半弧面上形成的高反射率介质膜镜面，所述镀膜高反镜面的反射率为80%～100%。
在本发明的一实施例中，所述镀膜高反镜面的截面曲线L的计算方法如下：
以光学窗口的中心点作为原点构建二维坐标系，假设所述灯珠的光源位于二维坐标系的点
Figure SMS_1
，镀膜高反镜面的截面曲线L的曲线方程为/>
Figure SMS_2
，截面曲线L的起始点坐标分别为/>
Figure SMS_3
和/>
Figure SMS_4
；其中所述灯珠的光轴与所述镜筒支架的中心轴线夹角θ的表达式为：
Figure SMS_5
(1)
由光源发出入射到截面曲线L上任意一点
Figure SMS_6
的这条光线的向量/>
Figure SMS_7
表示为：
Figure SMS_8
(2)
所述光线经过反射介质发生反射后的光线的方向向量为
Figure SMS_9
；设在截面曲线L上任意一点/>
Figure SMS_10
处的法向量为/>
Figure SMS_11
，则有：
Figure SMS_12
(3)
根据反射定律可得：
Figure SMS_13
(4)
即，
Figure SMS_14
(5)
经过整理可得：
Figure SMS_15
(6)
方程组（6）的解即为所述镀膜高反镜面的截面曲线L满足的特定曲线方程。
在本发明的一实施例中，所述灯珠为LED灯珠，数量为六个；所述镜筒支架的内壁倾斜设置有六个用于安装所述LED灯珠的安装孔，其中相邻的两个安装孔的水平投影夹角均为60°。
在本发明的一实施例中，相邻的两个LED灯珠的光轴在水平方向投影的夹角均为60°，所述LED灯珠的光轴与所述镜筒支架的中心轴线有交点且所述LED灯珠的光轴与所述镜筒支架的中心轴线呈θ角，所述θ角由所述镀膜高反镜面的截面曲线L满足的特定曲线方程计算得到。
在本发明的一实施例中，所述θ角的范围为15°～ 45°。
在本发明的一实施例中，所述投影镜头为连接于所述LED灯珠的平凸透镜；所述光学窗口为窗口镜。
在本发明的一实施例中，所述无亮斑投影照明系统还包括安装在所述镜筒支架外部的支撑件、安装在所述支撑件上的PCB板和电连接于所述PCB板的单片机，其中所述灯珠焊接在所述PCB板上并与所述单片机电路连接，所述单片机用于调控所述灯珠的亮度。
在本发明的一实施例中，所述单片机包括光强控制单元、光学系统控制单元和系统电源，所述光学系统控制单元用于根据所述单片机外部输入端口输入的灯珠流明照度要求，向所述光强控制单元发出电信号，以执行对所述灯珠的光强控制；所述光强控制单元用于接收所述光学系统控制单元发出的电信号并控制所述灯珠的流明照度；所述系统电源用于为所述无亮斑投影照明系统提供稳压电源。
本发明在另一方面还提供了一种无亮斑投影照明系统的工作方法，包括步骤：
所述单片机向所述系统电源给出指令为所述无亮斑投影照明系统提供电源；
所述光学系统控制单元根据所述单片机外部输入端口输入的灯珠流明照度要求向所述光强控制单元发出电信号；
所述光强控制单元根据接收到的所述电信号向所述灯珠提供对应电流，用于调整所述灯珠的流明照度；
所述灯珠接收所述光强控制单元的电流后发出光束传输至所述投影镜头；
所述投影镜头对所述灯珠所发出的光束进行定向指定区域投影，将所述灯珠所发出的无序放射状光线收集并投射到所述镀膜高反镜面；
所述镀膜高反镜面将整形后的光束定向反射至所述光学窗口上。
本发明提供的所述无亮斑投影照明系统利用光束整形定向投射、多方向反射投射照明相结合的技术实现了无亮斑均匀照明。本发明的所述无亮斑投影照明系统避免了手术监视系统获得的手术人眼图像出现局部亮斑的情况，即避免人眼图像中出现局部亮度过高，从而湮没人眼图像局部信息，造成信息缺失影响人眼特征边界提取精度，影响手术镜头组光轴与人眼光轴的对准精度，从而能够提高在飞秒激光手术中医生的观察和手术实施的精准度、安全性和可靠性。
通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
图1为本发明的一优选实施例的所述无亮斑投影照明系统的结构示意图。
图2为本发明的所述无亮斑投影照明系统在镜筒支架横截面方向上的光路示意图。
图3为本发明的所述无亮斑投影照明系统的光路示意图。
图4为本发明的所述无亮斑投影照明系统的照明区域对应关系示意图。
图5为本发明的所述无亮斑投影照明系统的镀膜高反射镜面的截面曲线方程示意图。
附图标号说明：镜筒支架1、安装孔101、投影镜头2、灯珠3、镀膜高反镜面4、PCB板5、支撑件6、光学窗口7、单片机8、光强控制单元9、光学系统控制单元10、系统电源11。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图5所示，根据本发明的一优选实施例的一种无亮斑投影照明系统及其工作方法被具体阐明。
如图1和图2所示，所述无亮斑投影照明系统包括镜筒支架1、间隔设置在所述镜筒支架1上的多个灯珠3、分别设置在对应的灯珠3上的多个投影镜头2、设置在所述镜筒支架1一端的镀膜高反镜面4以及设置在所述镜筒支架1的另一端的光学窗口7，其中所述镀膜高反镜面4为弧形镜面，所述灯珠3用于发出光束；所述投影镜头2用于对所述灯珠3发出的光束进行整形并投射到所述镀膜高反镜面4上，所述镀膜高反镜面4用于将整形后的光束定向反射至所述光学窗口7。
具体地，在这一具体实施例中，所述灯珠3采用LED灯珠，数量为六个，相对应地，所述镜筒支架1内壁预留六个能放入所述LED灯珠的安装孔101，其中所述安装孔101倾斜设置在所述镜筒支架1的内壁，且相邻的两个安装孔101的水平投影夹角均为60°。
具体地，所述投影镜头2为连接于所述LED灯珠的平凸透镜，用于将LED灯珠所发射出的光线均匀投影到所述镀膜高反镜面4上。
具体地，六个所述LED灯珠负责提供照亮视场所需的光，相邻两个LED灯珠光轴在水平方向投影的夹角均为60°，所述LED灯珠的光轴与所述镜筒支架1中心轴线有交点且所述LED灯珠的光轴与所述镜筒支架1中心轴线呈θ角。
进一步的，所述θ角由加工好的所述镀膜高反镜面4决定，通过所述镀膜高反镜面4的截面曲线L的特定曲线方程计算得出所述θ角。
特别地，所述θ角范围在15°～ 45°。
如图3和图4所示，所述LED灯珠与所述投影镜头2组成了光束整形定向投射系统，用于将所述LED灯珠发射出的光束进行整形后定向投射到镀膜/图层区域曲面（即所述镀膜高反镜面4）上，并经由所述镀膜/图层区域曲面（即所述镀膜高反镜面4）定向反射将光线再次扩束并均匀照射在所述光学窗口7处。
也就是说，所述投影镜头2对所述LED灯珠所发出的光进行定向指定区域投影，将所述LED灯珠所发出的无序放射状光线收集并投射到所述镜筒支架1的所述镀膜高反镜面4上。
可以理解的是，所述投影镜头2对LED灯珠发出光光束进行整形，使得大部分的光照射到所述镀膜高反镜面4上完成定向反射到达窗口镜处，小部分的光在经过所述投影镜头2整形后，仍不能照射到所述镀膜高反镜面4的光通过在所述镜筒支架1内部漫反射，最终到达所述光学窗口7，实现了照明光源光线的高效利用并使得照明效果更佳柔和均匀。
特别地，所述镀膜高反镜面4为通过镀膜工艺将高反射率材料镀在所述镜筒支架1内侧壁的半弧面上形成的高反射率介质膜镜面，所述镀膜高反镜面4的反射率为80%～100%。所述镀膜高反射镜面4的截面曲线L需满足所述投影镜头2投射的光均匀地反射到光学窗口7的要求。
所述镀膜高反射镜面4的截面曲线L的具体数学关系计算方法如下：
如图5所示，以光学窗口的中心点作为原点构建二维坐标系，假设所述灯珠的光源位于二维坐标系的点
Figure SMS_16
，镀膜高反镜面4的截面曲线L的曲线方程为/>
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，截面曲线L的起始点坐标分别为/>
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和/>
Figure SMS_19
。其中LED灯珠光轴与镜筒支架1的中心轴线夹角θ的表达式为：
Figure SMS_20
(1)
由光源发出入射到截面曲线L上任意一点
Figure SMS_21
的这条光线的向量/>
Figure SMS_22
表示为：
Figure SMS_23
(2)
所述光线经过反射介质发生反射后的光线的方向向量为
Figure SMS_24
；设在截面曲线L上任意一点/>
Figure SMS_25
处的法向量为/>
Figure SMS_26
，则有：
Figure SMS_27
(3)
根据反射定律可得：
Figure SMS_28
(4)
即，
Figure SMS_29
(5)
经过整理可得：
Figure SMS_30
(6)
方程组（6）的解即为本发明中所述镀膜高反镜面4的截面曲线L的需要满足的特定曲线方程。
进一步地，所述无亮斑投影照明系统还包括安装在所述镜筒支架1外部的支撑件6、安装在所述支撑件6上的PCB板5和电连接于所述PCB板5的单片机8，其中所述灯珠3焊接在所述PCB板5上并与所述单片机8电路连接，所述单片机8用于调控所述灯珠3的亮度。
具体地，所述PCB板5为印制电路板，所述LED灯珠焊接在所述PCB板5上并与所述单片机8电路连接。
具体地，所述支撑件6为钣金加工件，用于将所述PCB板5固定在所述镜筒支架1外部。
具体地，所述光学窗口7为一个窗口镜，用于保护所述镜筒内的光学系统免受外界环境的干扰。
进一步地，所述单片机8包括光强控制单元9、光学系统控制单元10和系统电源11，用于调控所述LED灯珠的亮度；其中所述光学系统控制单元10用于根据所述单片机8外部输入端口输入的灯珠流明照度要求，向所述光强控制单元9发出电信号，以执行对所述LED灯珠的光强控制；所述光强控制单元9用于接收所述光学系统控制单元10发出的电信号并控制所述LED灯珠流明照度；所述系统电源11用于为所述无亮斑投影照明系统提供稳压电源。
本发明避免了手术监视系统获得的手术人眼图像出现局部亮斑的情况，即避免人眼图像中出现局部亮度过高，从而湮没人眼图像局部信息，造成信息缺失影响人眼特征边界提取精度，进而影响手术镜头组光轴与人眼光轴的对准精度的情况。本发明利用光束整形定向投射、多方向反射投射照明相结合的技术实现了无亮斑均匀照明，提高了手术实施的精准度、安全性和可靠性。
可以理解的是，本发明在另一方面还提供了一种均匀光场照明系统的工作方法，即提供了所述无亮斑投影照明系统的工作方法，包括步骤：
所述单片机8向所述系统电源11给出指令为所述无亮斑投影照明系统提供电源；
所述光学系统控制单元10根据所述单片机8外部输入端口输入的灯珠流明照度要求向所述光强控制单元9发出电信号；
所述光强控制单元9根据接收到的所述电信号向所述灯珠3提供对应电流，用于调整所述灯珠3的流明照度；
所述灯珠3接收所述光强控制单元9的电流后发出光束传输至所述投影镜头2；
所述投影镜头2对所述灯珠3所发出的光束进行定向指定区域投影，将所述灯珠3所发出的无序放射状光线收集并投射到所述镀膜高反镜面；
所述镀膜高反镜面4将整形后的光束定向反射至所述光学窗口7上。
值得一提的是，在这一具体实施例中，6个所述LED灯珠从不同角度将经过调整的光同时均匀投影到所述镀膜高反镜面4上再均匀地反射到所述光学窗口7上。
本发明提供的所述无亮斑投影照明系统利用光束整形定向投射、多方向反射投射照明相结合的技术实现了无亮斑均匀照明。本发明的所述无亮斑投影照明系统避免了手术监视系统获得的手术人眼图像出现局部亮斑的情况，即避免人眼图像中出现局部亮度过高，从而湮没人眼图像局部信息，造成信息缺失影响人眼特征边界提取精度，影响手术镜头组光轴与人眼光轴的对准精度的情况，从而能够提高在飞秒激光手术中医生的观察和手术实施的精准度、安全性和可靠性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，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)

1.一种无亮斑投影照明系统，其特征在于，包括：
镜筒支架；
多个灯珠，间隔设置在所述镜筒支架上；
多个投影镜头，分别设置在对应的灯珠上；
镀膜高反镜面，其设置在所述镜筒支架一端并被设置为弧形镜面；
光学窗口，其设置在所述镜筒支架的另一端；
其中，所述灯珠与所述投影镜头组成了光束整形定向投射系统，用于将所述灯珠发的无序放射状光线收集并定向投射到所述镀膜高反镜面上，并经由所述镀膜高反镜面将光线再次扩束并均匀照射在所述光学窗口处。
2.根据权利要求1所述的无亮斑投影照明系统，其特征在于，所述镀膜高反镜面为通过镀膜工艺将高反射率材料镀在所述镜筒支架内侧壁的半弧面上形成的高反射率介质膜镜面，所述镀膜高反镜面的反射率为80%～100%。
3.根据权利要求2所述的无亮斑投影照明系统，其特征在于，所述镀膜高反镜面的截面曲线L的计算方法如下：
以光学窗口的中心点作为原点构建二维坐标系，假设所述灯珠的光源位于二维坐标系的点
Figure QLYQS_1
，镀膜高反镜面的截面曲线L的曲线方程为/>
Figure QLYQS_2
，截面曲线L的起始点坐标分别为/>
Figure QLYQS_3
和/>
Figure QLYQS_4
；其中所述灯珠的光轴与所述镜筒支架的中心轴线夹角θ的表达式为：
Figure QLYQS_5
(1)
由光源发出入射到截面曲线L上任意一点
Figure QLYQS_6
的这条光线的向量/>
Figure QLYQS_7
表示为：
Figure QLYQS_8
(2)
所述光线经过反射介质发生反射后的光线的方向向量为
Figure QLYQS_9
；设在截面曲线L上任意一点/>
Figure QLYQS_10
处的法向量为/>
Figure QLYQS_11
，则有：
Figure QLYQS_12
(3)
根据反射定律可得：
Figure QLYQS_13
(4)
即，
Figure QLYQS_14
(5)
经过整理可得：
Figure QLYQS_15
(6)
方程组（6）的解即为所述镀膜高反镜面的截面曲线L满足的特定曲线方程。
4.根据权利要求3所述的无亮斑投影照明系统，其特征在于，所述灯珠为LED灯珠，数量为六个；所述镜筒支架的内壁倾斜设置有六个用于安装所述LED灯珠的安装孔，其中相邻的两个安装孔的水平投影夹角均为60°。
5.根据权利要求4所述的无亮斑投影照明系统，其特征在于，相邻的两个LED灯珠的光轴在水平方向投影的夹角均为60°，所述LED灯珠的光轴与所述镜筒支架的中心轴线有交点且所述LED灯珠的光轴与所述镜筒支架的中心轴线呈θ角，所述θ角由所述镀膜高反镜面的截面曲线L满足的特定曲线方程计算得到。
6.根据权利要求5所述的无亮斑投影照明系统，其特征在于，所述θ角的范围为15°～45°。
7.根据权利要求4所述的无亮斑投影照明系统，其特征在于，所述投影镜头为连接于所述LED灯珠的平凸透镜；所述光学窗口为窗口镜。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的无亮斑投影照明系统，其特征在于，还包括安装在所述镜筒支架外部的支撑件、安装在所述支撑件上的PCB板和电连接于所述PCB板的单片机，其中所述灯珠焊接在所述PCB板上并与所述单片机电路连接，所述单片机用于调控所述灯珠的亮度。
9.根据权利要求8所述的无亮斑投影照明系统，其特征在于，所述单片机包括光强控制单元、光学系统控制单元和系统电源，所述光学系统控制单元用于根据所述单片机外部输入端口输入的灯珠流明照度要求，向所述光强控制单元发出电信号，以执行对所述灯珠的光强控制；所述光强控制单元用于接收所述光学系统控制单元发出的电信号并控制所述灯珠的流明照度；所述系统电源用于为所述无亮斑投影照明系统提供稳压电源。
10.一种根据权利要求9所述的无亮斑投影照明系统的工作方法，其特征在于，包括步骤：
所述单片机向所述系统电源给出指令为所述无亮斑投影照明系统提供电源；
所述光学系统控制单元根据所述单片机外部输入端口输入的灯珠流明照度要求向所述光强控制单元发出电信号；
所述光强控制单元根据接收到的所述电信号向所述灯珠提供对应电流，用于调整所述灯珠的流明照度；
所述灯珠接收所述光强控制单元的电流后发出光束传输至所述投影镜头；
所述投影镜头对所述灯珠所发出的光束进行定向指定区域投影，将所述灯珠所发出的无序放射状光线收集并投射到所述镀膜高反镜面；
所述镀膜高反镜面将整形后的光束定向反射至所述光学窗口上。
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