RU2518181C2

RU2518181C2 - Led-based light source for light fixtures of sanitary grade

Info

Publication number: RU2518181C2
Application number: RU2012110482/07A
Authority: RU
Inventors: Йу-Вей ЛИАНГ; Де-Ин ШОУ; Ай-Хсю ЧАН; Вей-Ли ВУ
Original assignee: Амтай Медикал Эквипмент, Инк.
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2014-06-10
Also published as: RU2012110482A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to lighting engineering. The light source consists of a printed circuit board dissipating heat, a LED array pack, a beam splitter and reflector. The LED array pack is fixed to the printed circuit board and covered by the beam splitter which, in its turn, is pressed to the reflector and positioned with it. The central light beams from the LED array pack are collimated by the beam splitter for the purpose of projection outside. Side light beams are refracted in the direction by the beam splitter, intercepted by the reflector and redirected to the target area of lighting together with the central beams.

EFFECT: low power consumption and simplification of manufacture.

11 cl, 6 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение в общем относится к медицинским светильникам и, в частности, к источнику света на светодиодах, установленному в светильник для медицинской диагностики или лечения, причем источник света имеет высокий индекс цветопередачи и обеспечивает направленную проекцию с небольшой потерей света и высокой эффективностью мощности.The present invention generally relates to medical fixtures and, in particular, to a light source using LEDs installed in the lamp for medical diagnosis or treatment, the light source having a high color rendering index and provides directional projection with a small loss of light and high power efficiency.

Описание уровня техникиDescription of the prior art

Светильники для медицинской диагностики или лечения обычно должны, в дополнение к высокой интенсивности освещения, иметь высокий индекс цветопередачи, чтобы можно было визуально различать очень небольшие различия между тканями. Поэтому пакеты матриц светодиодов с одной длиной волны не могут выполнять эту цель, и можно использовать только пакеты матриц светодиодов с высоким индексом цветопередачи и полным спектром видимого света. Однако большинство пакетов матриц светодиодов из-за использования фосфора имеют эффективность освещения только приблизительно вполовину от эффективности освещения пакетов матриц светодиодов с одной длиной волны. Как таковые, даже если пакеты матриц светодиодов, используемые для медицинских целей, имеют срок службы до 30000 часов, что в 30 раз превышает срок службы обычных галогенных ламп, и стоимость эксплуатации светильников таким образом заметно снижается, эффект консервации энергии пакетов матриц светодиодов все еще имеет много места для усовершенствования. Потребление энергии медицинскими светильниками подразумевает не только сами светильники, но и вентиляцию, необходимую для отвода теплоты от светильников. Последнее еще более важно, чем продление срока службы осветительного прибора.Lamps for medical diagnosis or treatment usually should, in addition to high light intensity, have a high color rendering index so that very small differences between the tissues can be visually distinguished. Therefore, LED matrix packets with a single wavelength cannot fulfill this goal, and only LED matrix packets with a high color rendering index and a full spectrum of visible light can be used. However, due to the use of phosphorus, most LED array packages have a lighting efficiency of only about half that of single-wavelength LED matrix packages. As such, even if the LED matrix packages used for medical purposes have a lifespan of up to 30,000 hours, which is 30 times longer than the life of conventional halogen lamps, and the operating cost of the luminaires is thus significantly reduced, the energy conservation effect of the LED matrix packages still has plenty of room for improvement. The energy consumption of medical fixtures implies not only the fixtures themselves, but also the ventilation necessary to remove heat from the fixtures. The latter is even more important than extending the life of a lighting fixture.

Обычно в операционной каждый комплект хирургических светильников имеет два световых элемента, расположенные в диапазоне 30-40 см над головой хирурга, каждый из которых потребляет 120~150 Вт. Во время операции, если кондиционирование воздуха для охлаждения операционной не очень эффективное, теплота, создаваемая этими световыми элементами, может мешать операции, особенно если хирург использует стерильные перчатки и не может вытереть пот. Это может вызвать инфекцию или даже смерть пациента. Как таковая, температура в операционной обычно поддерживается в диапазоне 15~20°C, что также важно для замедления роста бактерий в максимально возможной степени. Как таковая, стоимость расходуемой зря энергии больше, чем стоимость светильников для замены, и вопрос, как повысить эффективность освещения пакетов матриц светодиодов, является крупной проблемой для медицинских светильников.Usually, in the operating room, each set of surgical lights has two light elements located in the range of 30-40 cm above the surgeon's head, each of which consumes 120 ~ 150 watts. During surgery, if the air conditioning for cooling the operating room is not very effective, the heat created by these light elements can interfere with the operation, especially if the surgeon uses sterile gloves and cannot wipe the sweat. This can cause infection or even death to the patient. As such, the operating room temperature is usually maintained in the range of 15 ~ 20 ° C, which is also important to slow down the growth of bacteria as much as possible. As such, the cost of wasted energy is greater than the cost of fixtures to replace, and the question of how to improve the lighting efficiency of LED matrix packages is a major problem for medical fixtures.

Как показано на ФИГ.6, полезная модель Тайваня № М288433, обычный источник света на светодиодах имеет пакет 10 светодиодной матрицы, прикрепленный к печатной плате 40. Затем путь проекции света пакета 10 светодиодной матрицы закрывают линзой 30, которая расщепляет пучки света от пакета 10 светодиодной матрицы на пучки, проецируемые в центр, и пучки, проецируемые на стороны, и направляет их на целевую область освещения. Поскольку свет больше убывает, когда он проходит дальше в прозрачном материале с высоким показателем преломления, на линзе 30 предусмотрены два цилиндрических отверстия 301 и 302 рядом с пакетом 10 светодиодной матрицы и рядом со светоизлучающей плоскостью линзы 30, чтобы уменьшить длину прохождения света в линзе 30. Совокупная внутренняя отражающая поверхность A перехватывает световые пучки и путем применения совокупного внутреннего отражения, когда свет входит в среду низкой плотности из среды высокой плотности, направляет боковые пучки света на целевую область освещения. Так как совокупная внутренняя отражающая поверхность A должна взаимодействовать с воздухом низкой плотности, колонки позиционирования 303 (которые показаны пунктирными линиями на ФИГ.6) не могут использоваться, поскольку они будут мешать совокупному внутреннему отражению. Тогда линза 30 должна быть точно позиционирована и зафиксирована позиционирующим элементом 50.As shown in FIG. 6, Taiwan's utility model No. M288433, a conventional LED light source has an LED array package 10 attached to the circuit board 40. Then, the light projection path of the LED array package 10 is closed with a lens 30 that splits the light beams from the LED package 10 matrices on beams projected to the center, and beams projected on the sides, and directs them to the target area of illumination. Since the light decreases more when it passes further in a transparent material with a high refractive index, two cylindrical holes 301 and 302 are provided on the lens 30 next to the package 10 of the LED matrix and next to the light-emitting plane of the lens 30 to reduce the length of light passage in the lens 30. The aggregate internal reflective surface A intercepts the light beams and, by applying the aggregate internal reflection when light enters the low-density medium from the high-density medium, directs the lateral beams that the target coverage area. Since the aggregate internal reflective surface A must interact with low-density air, positioning columns 303 (which are shown by dashed lines in FIG. 6) cannot be used because they will interfere with the aggregate internal reflection. Then the lens 30 must be accurately positioned and fixed by the positioning element 50.

Как сказано, боковые пучки света от пакета 10 светодиодной матрицы будут нести значительные потери. Это в основном вызвано тем, что расстояние прохождения через линзу 30 боковых пучков света в несколько раз больше, чем такое расстояние у центральных пучков света. Кроме того, часть боковых пучков света, перехваченная совокупной внутренней отражающей поверхностью A, будет преломляться линзой 30 и не сможет быть проецирована на целевую область освещения. Обычно угол излучения света пакетами матриц светодиодов составляет приблизительно 140 градусов или больше. Угол излучения света В передних пучков света, ограничиваемых конструкцией, обычно не может быть больше 60 градусов. Как таковая, почти половина пучков света приходится на боковые пучки света, и когда они значительно убывают, эффективность освещения обычного осветительного прибора явно снижается.As said, the lateral light beams from the package 10 of the LED matrix will suffer significant losses. This is mainly due to the fact that the distance of passage through the lens 30 of the side light beams is several times greater than that of the central light beams. In addition, a part of the side light beams intercepted by the total internal reflective surface A will be refracted by the lens 30 and cannot be projected onto the target illumination area. Typically, the angle of light emission from the LED array packages is approximately 140 degrees or more. Angle of emission of light In the front beams of light, limited by design, usually can not be more than 60 degrees. As such, almost half of the light beams fall on the side light beams, and when they decrease significantly, the lighting efficiency of a conventional light fixture is clearly reduced.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Основная цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить источник света на светодиодах, который имеет высокий индекс цветопередачи и направленную проекцию с небольшой потерей световой энергии для использования в медицине для освещения при диагностике или лечении пациентов, при этом имея пониженное потребление электропитания. Вторая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить источник света на светодиодах для медицинской диагностики или лечения. Источник света на светодиодах включает печатную плату, способную рассеивать тепло, пакет светодиодной матрицы, расщепитель пучка и рефлектор. Пакет светодиодной матрицы прикреплен к печатной плате и закрыт расщепителем пучка, который в свою очередь прижат и расположен вместе с рефлектором.The main objective of the present invention is to provide an LED light source that has a high color rendering index and directional projection with a small loss of light energy for use in medicine for illumination in the diagnosis or treatment of patients, while having reduced power consumption. A second object of the present invention is to provide an LED light source for medical diagnosis or treatment. The LED light source includes a printed circuit board capable of dissipating heat, an LED array package, a beam splitter, and a reflector. A package of LED matrix is attached to the printed circuit board and closed by a beam splitter, which in turn is pressed and located together with the reflector.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

ФИГ.1 - перспективная схема, показывающая источник света на светодиодах согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.FIG. 1 is a perspective diagram showing an LED light source according to one embodiment of the present invention.

ФИГ.2 - перспективная подробная схема, показывающая разные компоненты источника света на светодиодах с ФИГ.1.FIG.2 is a perspective detailed diagram showing the different components of the light source on the LEDs of FIG.1.

ФИГ.3 - схема в разрезе, показывающая источник света на светодиодах с ФИГ.1.FIG. 3 is a sectional diagram showing a light source on the LEDs of FIG. 1.

ФИГ.4 - схема в разрезе, показывающая световые траектории источника света на светодиодах с ФИГ.1.FIG. 4 is a sectional diagram showing the light paths of a light source on the LEDs of FIG. 1.

ФИГ.5 - схема в разрезе, показывающая источник света на светодиодах согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения.FIG. 5 is a sectional diagram showing an LED light source according to another embodiment of the present invention.

ФИГ.6 - схема в разрезе, показывающая световые траектории обычного источника света на светодиодах.FIG.6 is a sectional diagram showing the light paths of a conventional light source on LEDs.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществленияDetailed Description of Preferred Embodiments

Как показано на ФИГ.1 и 2, источник света на светодиодах согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения в основном включает пакет 1 светодиодной матрицы, расщепитель пучка 2, рефлектор 3 и печатную плату 4, способную рассеивать тепло. Пакет 1 светодиодной матрицы имеет высокое свойство цветопередачи и полный спектр видимого света. Предпочтительно, пакет светодиодной матрицы имеет индекс цветопередачи по меньшей мере 85 и цветовую температуру, близкую к естественному свету, которая составляет от 3000 K до 6700 K. Один такой пакет светодиодной матрицы производит компания Edison Opto Corporation (смотрите http://www.edison-opto.com.tw/01_led_products_detail.asp?sn=45).As shown in FIGS. 1 and 2, the LED light source according to one embodiment of the present invention mainly includes an LED array package 1, a beam splitter 2, a reflector 3, and a printed circuit board 4 capable of dissipating heat. Package 1 of the LED matrix has a high color rendering property and a full range of visible light. Preferably, the LED array package has a color rendering index of at least 85 and a color temperature close to natural light that ranges from 3000 K to 6700 K. One such LED array package is manufactured by Edison Opto Corporation (see http: //www.edison- opto.com.tw/01_led_products_detail.asp?sn=45).

Изготовленный из материала высокой прозрачности и высокого показателя преломления расщепитель пучка 2, который показан на ФИГ.2, является чашеобразным объектом с полостью 21, окруженной загнутой кромкой 22 на его раскрытой стороне; причем первая линза 211 напротив раскрытия полости 21 служит в качестве основания расщепителя пучка 2. Также есть кольцеобразная вторая линза 212 между раскрытием полости 21 и первой линзой 211, соединяющая их для формирования расщепителя пучка 2.A beam splitter 2, which is shown in FIG. 2, made of a material of high transparency and high refractive index, is a cup-shaped object with a cavity 21 surrounded by a curved edge 22 on its open side; moreover, the first lens 211 opposite the opening of the cavity 21 serves as the base of the beam splitter 2. There is also an annular second lens 212 between the opening of the cavity 21 and the first lens 211 connecting them to form the beam splitter 2.

Рефлектор 3 является воронкообразным объектом с некоторым количеством позиционирующих стоек 31 по окружности рефлектора 3. Отражающий слой 32 нанесен как покрытие на внутреннюю поверхность рефлектора 3. Вокруг конца рефлектора 3 с меньшим отверстием выполнена выемка 33, форма и размер которой соответствуют форме и размеру загнутой кромки 22 расщепителя пучка 2.The reflector 3 is a funnel-shaped object with a number of positioning racks 31 around the circumference of the reflector 3. The reflective layer 32 is applied as a coating on the inner surface of the reflector 3. A recess 33 is made around the end of the reflector 3 with a smaller hole, the shape and size of which correspond to the shape and size of the bent edge 22 beam splitter 2.

Печатная плата 4 предназначена для установки пакета светодиодной матрицы 1 и изготовлена из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, такого как алюминиевый сплав или керамика. Вокруг пакета светодиодной матрицы 1 печатная плата 4 имеет некоторое количество сквозных отверстий 41 и 42 для позиционирования рефлектора 3 и самой печатной платы 4, соответственно.The printed circuit board 4 is designed to install a package of LED matrix 1 and is made of a material with a high coefficient of thermal conductivity, such as aluminum alloy or ceramic. Around the package of LED matrix 1, the printed circuit board 4 has a number of through holes 41 and 42 for positioning the reflector 3 and the printed circuit board 4, respectively.

Как показано на ФИГ.3, пакет светодиодной матрицы 1 зафиксирован в конкретном месте на печатной плате 4. Расщепитель пучка 2 затем помещают перевернутым на печатную плату 4, чтобы пакет 1 светодиодной матрицы был расположен полностью в полости 21 и загнутая кромка 22 была плоско прикреплена к печатной плате 4. Рефлектор 3 затем помещают на верх расщепителя пучка 2, и загнутая кромка 22 полностью входит в выемку 33. В это время позиционирующие стойки 31 помещают в сквозные отверстия 41. У источника света на светодиодах, который описан выше, свет, проецируемый от пакета светодиодной матрицы 1 в направлении первой линзы 211, направляется и коллимируется наружу. С другой стороны, свет, проецируемый от пакета светодиодной матрицы 1 в направлении кольцеобразной второй линзы 212, преломляется в направлении внутренней стенки рефлектора 3 и полностью ею захватывается. Отражающий слой 32 затем направляет этот свет наружу. Сквозные отверстия 42 на печатной плате 4 помогают позиционировать печатную плату 4 на медицинском светильнике и позволяют расположить несколько печатных плат 4 в форме матрицы, чтобы увеличить совокупную интенсивность освещения медицинского светильника для улучшения возможностей диагностики или лечения.As shown in FIG. 3, the LED array package 1 is fixed at a specific location on the printed circuit board 4. The beam splitter 2 is then placed upside down on the printed circuit board 4 so that the LED array package 1 is completely located in the cavity 21 and the bent edge 22 is flat attached to printed circuit board 4. The reflector 3 is then placed on top of the beam splitter 2, and the bent edge 22 is fully included in the recess 33. At this time, the positioning posts 31 are placed in the through holes 41. At the light source on the LEDs described above, the light is projected which is removed from the package of the LED matrix 1 in the direction of the first lens 211 is directed and collimated outward. On the other hand, the light projected from the package of the LED matrix 1 in the direction of the annular second lens 212 is refracted in the direction of the inner wall of the reflector 3 and is completely captured by it. The reflection layer 32 then directs this light out. The through holes 42 on the printed circuit board 4 help to position the printed circuit board 4 on the medical lamp and allow the arrangement of several printed circuit boards 4 in the form of a matrix in order to increase the total illumination intensity of the medical lamp to improve diagnostic or treatment options.

Просьба отметить, что расщепитель пучка 2 имеет уникальную оптическую конструкцию в том, что кольцеобразная вторая линза 212 имеет малую толщину. Как таковая, не только кольцеобразная вторая линза 212 способна направлять свет на рефлектор 3, как показано на ФИГ.4, но свет также проходит ограниченное расстояние в расщепителе пучка 2, этим снижая потери световой энергии.Please note that beam splitter 2 has a unique optical design in that the annular second lens 212 has a small thickness. As such, not only the annular second lens 212 is capable of directing light to the reflector 3, as shown in FIG. 4, but the light also travels a limited distance in the beam splitter 2, thereby reducing the loss of light energy.

Кроме того, рефлектор 3 прикреплен к печатной плате 4 позиционирующими стойками 31. Когда рефлектор 3 позиционирован, расщепитель пучка 2 плотно посажен между печатной платой 4 и рефлектором 3. Кроме того, позиционирующие стойки 31 находятся за отражающим слоем 32 рефлектора 3 и, как таковые, позиционирующие стойки 31 не мешают обработке света расщепителем пучка 2, этим достигая пониженных потерь световой энергии и повышенной простоты изготовления.In addition, the reflector 3 is attached to the printed circuit board 4 by positioning racks 31. When the reflector 3 is positioned, the beam splitter 2 is tightly seated between the printed circuit board 4 and the reflector 3. In addition, the positioning racks 31 are located behind the reflective layer 32 of the reflector 3 and, as such, positioning racks 31 do not interfere with the processing of light by a beam splitter 2, thereby achieving reduced light energy losses and increased ease of manufacture.

Как показано на ФИГ.5, в альтернативном варианте осуществления, расщепитель пучка 2 и рефлектор 3 могут фактически быть выполнены совместно как цельный элемент.As shown in FIG. 5, in an alternative embodiment, the beam splitter 2 and the reflector 3 can actually be made together as an integral element.

Claims

1. The light source on the LEDs for medical lighting, consisting of:
printed circuit board; a package of LED matrix fixed on said printed circuit board; a beam splitter having a cup shape with a cavity, said beam splitter consisting of a first lens opposite the opening of said cavity and an annular second lens between the opening of said cavity and said first lens, and wherein the beam splitter is placed upside down on said printed circuit board so that said LED package matrix was closed by a beam splitter; and a reflector was placed on top of said beam splitter, said reflector having a reflective layer on its inner surface; characterized in that the light projected from said LED matrix package in the direction of said first lens is directed outward, and the light projected from said LED matrix package in said direction of said annular second lens is refracted in the direction of the inner wall of said reflector and captured by it to reflect him out.

2. The LED light source according to claim 1, characterized in that several through holes are provided on said printed circuit board around said LED matrix package.

3. The light source on the LEDs according to claim 2, characterized in that said reflector is attached to said through holes on said printed circuit board; and said beam splitter is attached by said reflector to said printed circuit board.

4. The light source on the LEDs according to claim 1, characterized in that the opening of the cavity of said beam splitter is surrounded by a curved edge; a recess is provided around the end of said reflector next to said printed circuit board; and said recess has a shape and size corresponding to the shape and size of said curved edge.

5. The light source on the LEDs according to claim 1, characterized in that said beam splitter is made of high transparency material.

6. The light source on the LEDs according to claim 1, characterized in that several positioning racks are provided around the circumference of said reflector.

7. The light source on the LEDs according to claim 1, characterized in that said beam splitter and said reflector are jointly made as a single object.

8. The LED light source according to claim 1, characterized in that said printed circuit board is made of a material with a high coefficient of thermal conductivity.

9. The light source on the LEDs of claim 8, characterized in that the said material with a high coefficient of thermal conductivity is an aluminum alloy.

10. The light source on the LEDs of claim 8, characterized in that the said material with a high coefficient of thermal conductivity is a ceramic product.

11. The LED light source according to claim 1, characterized in that said LED array package has a color rendering index of at least 85 and a color temperature of 3000 K to 6700 K.