CN1409808A - 光纤照明系统的色彩校正 - Google Patents
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Abstract
一种光纤照明系统(100)，其中，使用滤波器(30)对弧光灯(10)的输出光谱加以修正，以减小光谱中尖峰脉冲的幅度，以致于最终的输出拥有所希望的白光的色品和色彩表现指标。
Description
发明领域
总的来说，本发明涉及一种在医疗手术期间所使用的光纤照明系统。
发明背景
在外科手术期间，提供照明是为了使医生具有清晰的视野。对于照明来说，就正确的色温和色彩表现指标值而言，拥有足够的光能将是十分重要的。通常，由一个位于照明装置内的灯提供照明，其中，利用一个光纤束把光导向手术台。
过去，一直把卤灯用于这样的照明装置系统。这些照明装置系统是低成本的，但通常光通量低于所希望的水平，而且色温通常偏低。使用氙弧光灯的较高档的系统提供了更接近人们所希望的水平的色温，几乎与太阳光的色温相同，并提供了足够的光通量。缺点是：由于灯的较低的内在功效，并要求复杂的和贵重的整流器，所以这些系统通常较为昂贵。金属卤化物和水银灯也用于这样的目的，因为与氙灯相比这些灯的功效大约高出2～3倍，从而提供了一种较低成本的照明装置。
由于在放电灯泡的内部使用了金属卤化物与/或水银，所以输出光谱包括尖峰光谱脉冲，这些尖峰光谱脉冲相应于所使用的材料的特性。就色温、色品、以及色彩的表现指标而言，这些尖锋脉冲的影响改变了输出的特性。尽管在金属卤化物灯系统中一直在使用滤波器校正输出的色温，但色品和色彩表现指标在很大程度上为人们所忽视。
因此，本发明的目标是提供这样的一种照明系统：包括一个色彩校正系统，以致于可对那些其光谱中具有尖峰脉冲的灯例如金属卤化物灯和水银灯的输出加以校正，以能够以较低的成本提供具有所希望的色温、色品、以及色彩表现指标[“CRI”]的光输出。
发明概述
为了实现这一目标，本发明提供了一种用于手术区域的光纤照明装置，以提供足够的光能，并在色温、色品、以及CRI方面具有人们所希望的白光特性， 以致于在手术台上能够清晰地看清关键的手术细节。这一照明装置包括一个高效的弧光灯，这一弧光灯通常在输出光谱中具有尖峰脉冲；以及聚光和收集系统，用于把从弧光灯所发射的光聚焦在输出光纤的一个输出束上。在弧光灯和输出光纤之间的是一个滤光系统，以致于可对弧光灯的输出加以修正，以在光纤上产生具有所希望的特性的输出。
附图简述
图1(现有技术)是一个人们所熟悉的具有一个抛物面反射器的光纤照明装置的示意图；
图2(现有技术)是一个人们所熟悉的具有一个椭圆形反射器的光纤照明装置的示意图；
图3(现有技术)是一个人们所熟悉的具有一个离轴超环面反射器的光纤照明装置的示意图；
图4A是一个具有5500°K色温的典型的太阳黑体辐射的光谱图；
图4B是具有均匀输出功率的白光源的光谱图；
图5(现有技术)是一个典型的金属卤化物灯的输出光谱图；
图6描述的是根据本发明的一个实施例的光滤波器的光谱透射率；
图7是在使用图6的光滤波器滤波之后图5的金属卤化物灯的输出光谱图；
图8是一个色品坐标及相关色温图，描述了太阳光(SOLAR)、白光(WHITE)、金属卤化物灯(MH)、以及滤波后的金属卤化物灯(FMH)的坐标；
图9A描述了CRI与长波长切口(notch)反射率的关系；
图9B描述了色温与长波长切口反射率的关系；
图10是一个离轴照明装置的示意图，这一离轴照明装置具有一个根据本发明的实施例的平光滤波器；
图11是一个离轴照明装置的示意图，这一离轴照明装置具有一个根据本发明的实施例的曲面滤波器；
优选实施例详述
图1说明了现有技术中人们所熟悉的一个普通光纤照明装置的内部部件。所说明的照明装置是一个同轴的抛物面反射器照明系统200，包括一个光源10、一个具有抛物面形状的主反射器40a、一个聚焦透镜210、以及一条输出光纤60。根据具体的应用，可以从包括氙弧光、水银氙弧光、金属卤化物弧光、或卤灯的一组光源中选择光源10。在照明系统200中，把光源10的发射区域放置在抛物面反射器40a的焦点处的光轴80上，从而使输出20能够得以校准。可以为抛物面反射器40a涂上一个涂层，以择优地反射某些所希望的波长。例如，在可视的应用中，可以把一种冷色涂料用于传输紫外和红外辐射，以致于反射器40a仅对准作为输出20的光谱的可视部分。然后，通过聚焦透镜210把平行的输出20朝输出光纤60聚焦成一个较小的点70。
图2描述了一个同轴的椭圆形反射器照明系统300的配置。椭圆形反射器照明系统300使用一个椭圆形反射器40b对准光输出20。把灯10的发射区域放置在椭圆形反射器40b的一个焦点处的光轴80上，并把输出光纤60放置在椭圆形反射器40b的另一个焦点处的光轴80上。因此，根据具体的应用，也可以为椭圆形反射器40b的表面涂上一个涂层，如以上所描述的。
图1和2中所说明的人们所熟悉的照明系统200和300具有共同的缺点：系统的放大倍数大于1，而且放大倍数随角度变化，因而降低了输出焦点70的亮度。
图3说明了一个人们所熟悉的离轴照明系统400，其中具有近似为1的放大倍数并且在所有角度上基本保持不变的主反射器40把发射区域映象到输出光纤60上，因而可在聚焦输出点70处保持输出20的亮度。因此，与使用同样的灯10的先前所描述的系统相比，离轴照明系统400拥有一个较高的输出，特别是在小的广延(etendue)处。
在离轴照明系统400中，还可以通过包括一个逆反射器50进一步增加输出20，如图3中所示。逆反射器50反射在输出70的方向中主反射器40的相反侧所发射的光。与以上所描述的同轴照明系统200和300中的反射器相类似，也可以为离轴照明系统400中的反射器40和50涂上一个涂层，以有选择地传输和反射特定的辐射范围。
为了理解光的可视方面，图4描述了一个具有5500°K色温的典型的黑体辐射源的输出光谱图。所说明的光谱还代表从直接太阳光所测的输出。尽管5500°K黑体辐射源的输出辐射在所有波长处不尽相同，但根据定义，色彩表现指标、对一个具体的照明保持一个所观察物体的原始色彩的好坏程度的测量为100％。
图4B描述了在可视光谱上功率为恒定的白光的输出光谱图。把图4B中所说明的光源的色温计算为5455°K以及把色彩表现指标计算为95.11％，这意味着，与由图4A的黑体辐射所产生的标准光源相比，使用这样的一个光源所照射的物体的色彩将稍有偏差。在这两个指标内或接近这两个指标的照明被视为是好的照明。总的来说，这一范畴中的各种照明均拥有5500°K量级上的色温以及85％以上的CRI，而且在实践上相互间没有差别。
一种普通的灯10是氙弧光灯。它由一个具有一个阳极和一个阴极的灯泡组成，并在高压下向其填充氙气。当流经气体的电流点燃这一灯时，形成一个发射辐射的弧光，具有跨越整个可视光谱近乎均匀的输出，并拥有良好的色温和色彩表现指标。氙灯泡的输出十分接近白光或太阳光的输出，具有大约6200°K的色温、X＝0.30、Y＝0.30的色品坐标、以及大约0.93的CRI。尽管氙灯的输出特性总体上十分接近所希望的状态，但把氙灯用于照明的缺点是，在把电能转换成光输出的过程中，灯泡内在的低效率以及灯和相关整流器的相当高的成本。
对于那些需要较高效率和较低成本的应用来说，通常使用金属卤化物灯。为了提高灯的功效，把少量的掺杂物，通常为金属卤化物、水银、钠等，引入灯泡。在发射过程中，这些少量的掺杂物提供了附加的转换能级，在弧光灯泡中产生了有效的电子量子级转换，以产生更多的光能。这种掺杂的灯泡的缺点是，额外的光引入了这些掺杂物转换的光谱特性。特别是，灯泡发射的是集中在某些波长上的光能，这一光能将作为光谱中的尖峰脉冲出现在输出中。图5中描述了一个典型的金属卤化物灯泡的输出光谱。这一光谱与图4A和4B的光谱之间的主要不同之处是尖峰脉冲500b和500g的存在。在图5的光谱中，在光谱的蓝色区域中存在2个尖峰脉冲500b，在绿色区域中存在2个尖峰脉冲500g。这些尖峰脉冲在某些波长上有效地提供了额外的光，并特别加重了相应的可使被照物体的原始色彩成分失真的色彩。这一色彩失真改变了物体的面貌。例如，在对某一病人做外科手术期间，这一照明可能导致淡红色的肉组织呈浅蓝色。这样的金属卤化物灯的相应的特性通常拥有图8中所示的5225°K范围内的色温、大约X＝0.34和Y＝0.36的色品坐标、以及68％左右的CRI。
为了能够以较低的成本获得具有足够光能量并拥有所希望的色温、色品、以及CRI的光输出，本发明提供了一种照明系统100，照明系统100拥有一个填充了气体和掺杂物的光源10、一个用于把来自弧光灯的光耦合于一条输出光纤的系统、以及一个放置在弧光灯和输出光纤之间的光滤波器30。
图6说明了用于本发明的一个实施例中的一个示范性的光滤波器30的特性。滤波器的设计旨在以不同的波长传输光，并旨在削弱光能，以修正灯10的光谱的输出，如在相应于尖峰脉冲500b和500g的削减尖峰脉冲600b和600g中所看到的。滤波器30的基本的功能是削减尖峰脉冲500b和500g处的过高的功率，与此同时在光谱的其余部分维持一个最小的变化。图7中描述了滤波之后图5的金属卤化物灯的输出的光谱，说明了尖峰脉冲500b和500g的减小情况。尤其是，滤波后的尖峰脉冲550b和550g远远小于最初的尖峰脉冲500b和500g。图8描述了滤波之前和之后灯10的输出的色品。在滤波之后，色品处于白光(WHITE)和黑体辐射(SOLAR)指标之间。根据图7的光谱所计算的色彩表现指标在90％以上。
图9A描述了在滤波器的制造过程中对CRI的优化，即通过改变滤波器中相对于蓝色和绿色波长的滤波衰减量实现这一优化。图9B描述了对色温的优化。根据这些优化，可以确定滤波器的所希望的衰减曲线，如图6中所示。
图10说明了在根据本发明的一个优选实施例中的滤波的照明装置100。这一实施例把光源10偏离光轴80加以放置。可以把一个短弧光的270W的金属卤化物弧光灯用作光源10。把光源10放置在超环面的主反射器40的焦点之一上，其中输出焦点70在另一焦点上。针对所增加的输出，可把逆反射器50放置在灯10的附近，在主反射器40的相反侧，以致于可以把来自光源10的更多的输出光20导向反射器40。在输出焦点70和主反射器反射镜40之间，把一个滤波器30用于修正光源10的输出20的光谱。在输出焦点70处，可把一个熔融的束用于把来自焦点70的聚焦的光20耦合到输出光纤60。较佳的做法是令在这一情况中所使用的光纤60为一条具有低熔解温度的1.5mm的塑料光纤。
对于使用多层介质涂层制造的滤波器30来说，滤波特性依赖于入射角度，在较小角度上滤波特性逐渐变化，而在较大的角度上滤波特性迅速地变化。在一个实施例中，滤波器30具有一个涂在玻璃衬底的顶部的多层介质涂层。随角度而变的滤波特性方面的变化将作为在径向方向中变化的不均匀的色彩出现在输出中。随着入射角的增加，滤波特性曲线位移到较短的波长，叫做“蓝色位移”。对角度的依赖性，可由
Δλ/λ0＝(θi)2/2(n*)2给出。其中，Δλ为波长的变化，θi是径向入射角度，n*是介电滤波器的有效折射率，以及λ0是0度入射角时的峰值响应波长。因此，波长位移是入射角和折射率的一个二次函数。
对于距焦点一段距离D处的一个平滤波器30来说，θi，滤波器上的入射角，为
θi＝arctan(H/D)，其中，H是光线截断高度，如图11中所说明的。
在一个会聚的光束中，就波长而言，较外的高入射角的光线被位移，导致了光束断面上的色彩变化。解决这一问题的一个方法是，使用一个曲面的滤波器30a，如图11中所示。图11说明了一个可选的滤波的照明系统100a，这一照明系统实现了一个圆形的光滤波器30a。
对于一个具有曲率半径等于D的球形曲面衬底的滤波器30a来说，在所有光线截断高度处入射角均为0°。令人感到遗憾的是，高数值孔径会聚光束要求高度弯曲的滤波器30a来满足这一条件，以致于曲面的滤波器30a的曲率中心90基本上不处于输出焦点70的位置上。这使得均匀的涂层构造成为一个问题，因为沉淀物存在陡峭的涂敷角度。一个更为实际的解决方案是，通过在角补偿和涂层沉淀的均匀性要求之间进行折衷利用非线性的波长位移。如果使用半径R＞D的一个衬底，那么具有光线高度H的光入射角的变化由
θi＝arctan(H/(D-SAG))-arcsin(H/R)给出。其中，SAG＝(R-(R2-H2)1/2)，以致于针对任何给定的光线高度H减小了入射角。通过把R设置为接近D，但针对涂层沉积保持arcsin(H/R)＜30°，可消除大部分波长位移。
通过选择高指标的涂层材料，例如TiO2和Ta2O2，最大化n*，也可最小化随角度变化的波长位移。对这样的高指标材料的使用，可以把角度的影响减少1/3或1/3以上。
对于高功率的应用来说，一个均化器(homogenizer)75由一个熔融的光纤束制造，可放置在输出光纤60前端的焦点70处。也可以由一个圆形的包层棒取代熔融的光纤束。取决于具体的应用，一个复合的包层棒、一个具有多边形断面的棒、以及一个复合的包层棒或具有多边形的断面的熔融的束均可作为均化器75使用，以均化输出强度的分布。
通过使这些部件从较小的输入端到较大的输出端或反过来逐渐地变细，可进一步地对输出加以改进。有效地逐渐变细地把这一区域改变成数值孔径组合，因而允许设计人员把所聚焦的光的输出更好地匹配于具体的光纤60，从而增加了系统最终的总输出。
在其它的应用中，输出光纤60可以为一个光纤束，或一条大的芯光纤。通常可以购得的光纤束的直径大约为3mm和5mm。这些尺寸的光纤束用于一般的照明、手术头灯、以及内诊镜照明。大的核心光纤的直径可在3mm到18mm的范围内。 在较小的尺寸中，大的核心光纤用于类似光纤束的照明中。在较大的尺寸中，大的核心光纤可用于装饰光，其中，光从光纤的侧面沿光纤的长度向外传播。
尽管以上所描述的实施例包括并非光耦合系统的一部分的滤波器，但通过为主反射器涂上一层可产生同样效果的合适的介电层也可以实现同样的滤波方案。在这些情况中，把滤波功能与图1中的抛物面反射器40a、图2中的椭圆形反射器40b、以及图3中的主反射镜40中的涂层相组合。
尽管此处已相当详细地说明和描述了本发明，但本发明不局限于所陈述的这些细节，除非这些细节被权利要求认定为是必要的。因而，以上对本发明的描述为描述性的，本领域的技术人员将会明显地意识到：在不背离本发明的精神与范围的情况下，可对本发明的实施例加以变更和修改。因此，任何以及所有这样的修改都旨在包含于下列权利要求的范围内。
Claims (27)
1.一种光纤照明系统，包括：
一个弧光灯，充有气体和掺杂物，该弧光灯所发射的光的光谱具有上述掺杂物的特性的尖峰脉冲；
一个光学系统，用于把来自上述弧光灯的光耦合于一个输出光纤系统；以及
一个滤波器装置，放置在上述弧光灯和上述输出光纤系统之间，以使可修正上述弧光灯所发射的上述光的上述光谱，以提供一个基本上等于白光的色品和色彩表现指标的色品和色彩表现指标。
2.权利要求1的光纤照明系统，其中，上述的掺杂物是从由金属卤化物和水银的组成的一组掺杂物中选择的。
3.权利要求1的光纤照明系统，其中，上述的气体是氙。
4.权利要求1的光纤照明系统，其中，上述的光学系统是一个离轴反射器系统。
5.权利要求1的光纤照明系统，其中，上述的光学系统是一个同轴反射器系统。
6.权利要求1的光纤照明系统，其中，上述的输出光纤系统是一条单光纤。
7.权利要求1的光纤照明系统，其中，上述的输出光纤系统是一个光纤束。
8.权利要求1的光纤照明系统，其中，上述的滤波器装置包括一或多个滤波器，以使减小了上述光谱中的上述尖峰脉冲。
9.权利要求1的光纤照明，其中，上述的滤波器装置是一个在曲面衬底上的滤波器。
10.权利要求1的光纤照明，其中，上述的滤波器装置是一个在平衬底上的滤波器。
11.权利要求9的光纤照明，其中，上述的曲面衬底拥有一个大于上述衬底和上述输出光纤系统之间的距离的曲率半径。
12.权利要求1的光纤照明，其中，上述的滤波器装置是上述用于耦合的光学系统的一部分。
13.权利要求1的光纤照明系统，其中，上述的色品拥有基本上等于X＝.33和Y＝.33的坐标。
14.权利要求1的光纤照明系统，其中，上述的色彩表现指标处于.85和1.00之间的范围内。
15.权利要求1的光纤照明系统，还包括一个均化器，这一均化器具有一个输入端和一个输出端，放置在上述光学系统和上述输出光纤系统之间，其中上述的输入端接收来自上述光学系统的光，并把光从上述输出端耦合入上述的输出光纤系统，以致于在上述输出端处的强度分布比在上述输入端处更为均匀。
16.权利要求15的光纤照明系统，其中，上述的均化器是从包括一个熔融的光纤束、一个包层棒、一个锥形熔融的束、以及一个锥形包层棒组成的组中选择的。
17.权利要求1的光纤照明系统，其中：
上述的灯是一个金属卤化物弧光灯，发射的光在其光谱中具有尖峰脉冲；
还包括一个输出目标，该输出目标包括至少一条构成上述光纤系统的光纤；
上述的光学系统包括一个离轴反射器系统，用于把来自上述金属卤化物弧光灯的光耦合于上述的输出目标，其中，该离轴反射器系统基本上过滤出所有的紫外和红外辐射；
上述的滤波器装置包括一个滤波器，这一滤波器放置在上述离轴反射器系统和上述输出目标之间，以致于可减小上述金属卤化物弧光灯的上述光谱中的尖峰脉冲，在上述输出目标处的光的色品拥有一个范围在大约.30到0.35之间的X值和一个范围在大约0.30到0.35之间的Y值、以及一个范围从大约.85到1.00的色彩表现指标。
18.权利要求17的光纤照明系统，其中，上述的滤波器拥有一个在玻璃衬底顶部上的多层介质涂层。
19.权利要求18的光纤照明系统，其中，上述的玻璃衬底是曲面的。
20.权利要求17的光纤照明系统，其中，上述的目标是一条输出光纤。
21.权利要求17的光纤照明系统，其中，上述的目标包括一个均化器和一条输出光纤。
22.权利要求21的光纤照明系统，其中，上述的均化器是从由一个熔融的光纤束、一个包层棒、一个锥形熔融的束、以及一个锥形包层棒组成的组中选择的。
23.权利要求1的光纤照明系统，其中，
上述的灯是一个金属卤化物弧光灯，发射的光在其光谱中具有尖峰脉冲；
还包括一个输出目标，该输出目标包括至少一条构成上述光纤系统的光纤；
上述的光学系统包括一个反射器系统，用于把来自上述金属卤化物弧光灯的光耦合于上述的输出目标，上述的反射器系统基本上过滤出所有的紫外和红外辐射以及其光谱中的所述尖峰脉冲，以致于上述输出目标处的光的色品拥有一个范围在大约.30到0.35之间的X值和一个范围在大约0.30到0.35之间的Y值、以及一个范围在大约.85到1.00之间的色彩表现指标。
24.权利要求23的光纤照明系统，其中，上述的反射器系统是一个离轴凹面的反射器。
25.权利要求23的光纤照明系统，其中，上述的反射器系统是一个同轴抛物面反射器。
26.权利要求23的光纤照明系统，其中，上述的反射器系统是一个同轴椭圆形反射器。
27.根据权利要求1的一个光纤照明系统中校正色彩的一种方法，包括：
提供一个弧光灯，这一弧光灯充有气体和掺杂物，该弧光灯所发射的光的光谱具有呈上述掺杂物的特性的尖峰脉冲；
提供一个光学系统，用于把来自上述弧光灯的光耦合入一个输出光纤系统；以及
提供一个滤波器装置，放置在上述弧光灯和上述输出光纤系统之间，以致于可修正上述弧光灯所发射的上述光的上述光谱，以提供一个基本上等于白光的色品和色彩表现指标的色品和色彩表现指标。
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