TWI510737B

TWI510737B - 用於照亮手術場域的照明裝置及照明夾具

Info

Publication number: TWI510737B
Application number: TW103111079A
Authority: TW
Inventors: Cecilia Valteau; Thui Minh-Hong Vu
Original assignee: Maquet Sas
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-12-01
Also published as: TW201537094A

Description

用於照亮手術場域的照明裝置及照明夾具

本發明係關於具有發光二極體(LED)之照明裝置，更特定用於照明手術場域之醫療照明夾具。

在醫療環境中，更特定於手術室中，照明條件應適合讓使用者(如外科醫生或醫師)能正常工作。更特定言之，照明應盡可能地均勻，而讓使用者可在照明場域中區分不同類型的組織。

此外，整體來說，照明係為白光照明，而應符合特定標準並應產生具有範圍85至100之現色性指數(CRI)與範圍3000 Kelvin(K)至6700K之色溫的光，術語光之「色溫」在此應理解為依據國際照明委員會(CIE)之色度圖上之光色度坐標(X、Y)，以習知方式進行評估的等效色溫。

此外，使用者通常希望可能改變包括色溫的光的某些光譜特性，以便適合使用者之需要。理想情況下，光譜特性之變化不應伴隨著視覺照明的任何變化。應注意，光源之光通量在本文定義為發射光功率，以流明(lm)表示，而照明場域中之照明裝置之可視光在本文定義為在照明場域中照明之每單位面積之光通量，以lux表示，即在每平方公尺流明之流明(lm/m² )。

目前，存在不同類型的照明裝置滿足這些要求中的一部分，並且從複數個光源混合光，以取得白光照明。

專利文件EP 2299163揭示一種如上所述之照明裝置，其中白色LED具有二個不同色溫，即暖白色與冷白色，白色LED交替圍繞地分佈於中央反射器的外週側，中央反射器聚焦由LED發射之光至照明場域。照明裝置之合成色溫可使用複數個預定義色溫修改。因此，使用者使用之色溫範圍有限。不幸的是，來自二個類型的LED的光束不同，且合成光量不均勻。此外，此照明裝置之缺點為當使用者查看照明裝置時，對應所使用二個類型的LED的交替暖白光與冷白光色溫會引起視覺不適。

還有專利文件US 7465065，揭示一種具有並置白色與彩色LED以取得整體白光的照明裝置。然而，裝置產生的光並非均勻，且利用該類型的照明裝置，當障礙物遮蔽光通量的某些部分時，如當使用者在照明下傾斜，破壞多個LED之間的平衡，而修改色溫並產生虹彩效應，導致在手術場域形成彩色陰影。

專利文件DE 10 2006 040 393亦揭示一種具有LED的照明裝置，且其中形成「多晶片」LED的白色與彩色LED 一起耦合至單一聚焦系統，而能取得可調節色溫之白光照明。為了改善顏色之混合，光導插入多晶片LED與聚焦系統之間。然而，因為注入由光源發射至光導之光通量之技術困難，因而此光導具有減少照明裝置的光產率之缺點。因此，此照明裝置具有高電功率消耗。此外，該類型照明裝置難以取得均勻照明，且根據由使用者選擇之色溫的函數關係來變化手術場域之照明。此外，該類型照明裝置具有其他缺點，例如，當障礙物遮蔽光通量的某些部分時，照明場域中產生彩色陰影的缺點。

文件US 2006/0007538揭示一種照明系統，其中藉由偏振分光器組合由不同顏色的LED產生之光束。因此，每一光束分割為透射光束與正交偏振之反射光束。因此，可能使用非偏振光源以形成偏振白光，例如，用於液晶投影之應用。

美國2011/0292343亦揭示用於白光照明之眼用照明系統，係經由一或更多個級聯光束分光器分光增強顏色。

本發明之目的係通過提出一種改正這些缺點之照明裝置，該照明裝置提供均勻照明以及高光產率，且不在照明場域創造彩色陰影，並同時允許照明色溫變化。

為此，本發明提供了一種用於照明手術場域之具有LED的照明裝置，該照明裝置包含第一LED與第二LED，該第一LED佈置成發射具有第一色溫之第一白光束，而該第二LED佈置成發射具有第二色溫之第二白光束，第二色溫不同於第一色溫，該照明裝置之特徵在於進一步包含光束分光器，用於將第一光束分割為第一之一光束部分與第一之二光束部分，並將第二光束分割為第二之一光束部分與第二之二光束部分，第一之一光束部分由光束分光器反射，第一之二光束部分由光束分光器透射，第二之一光束部分由光束分光器反射，第二之二光束部分由光束分光器透射，其中第一LED、第二LED與光束分光器相對於彼此以立體佈置，以此方式使經透射之第一之二光束部分與經反射之第二之一光束部分重疊，以形成具有位於第一色溫與第二色溫間之中間色溫的第一合成光束，並以此方式使經反射之第一之一光束部分與經透射之第二之二光束部分重疊，以形成具有該中間色溫的第二合成光束，且其中該照明裝置進一步包含第一光學元件與第二光學元件，第一光學元件佈置為將第一合成光束朝照明場域之區域聚焦，而第二光學元件佈置為將第二合成光束朝區域聚焦。

利用此結構，具有LED的照明裝置因此可產生二個基本相同的合成光束，其中每一者都包含由第一LED發射光束的一部分與由第二LED發射光束的一部分，這二個光束部分重疊，且可能相同合成光束二者聚焦至手術場域中之相同像點。從LED發射之光，特別是白光，因此以100%的理論效率混合，假設光束分光器具有50%的透射功率與50%的反射功率。因此，合成白光取得均勻照明與高光產率。

此外，當障礙物存在於照明場域中，沒有彩色陰影形成在照明場域中。

本發明之照明裝置可有利地具有下列特徵：該照明裝置進一步包含用於供給電流之電源供應構件與控制單元，該構件適於供給各別可變電流至第一與第二LED，該控制單元佈置為控制電源供應構件，以此方式在各別電流大小變化時，將第一與第二LED之光通量總和保持恆定，藉此可能藉由適當地調製每一LED中之電流，以取得使用者期望之合成光通量之色溫；因此可能透過色溫的整體範圍取得恆定照明與高光產率；由第一LED發射之第一光束實質上垂直於由第二LED發射之第二光束；第一與第二LED設置於光束分光器之距離實質上相等；舉例而言，光束分光器可為具有一個或二個分離器面之半反射或分色鏡，以分離入射光分為二個光通量，其中一個反射而另一個折射；半反射鏡係以相對於第一與第二白光束實質上等於45°之角度傾斜，而促使50%的入射光分割；第一與第二LED從幾何觀點上觀察係實質上相同，藉此更容易取得均勻照明，在實際應用中，LED具有相同包裝與相同電子晶片，但一個LED中形成二極體之螢光體組成不同於另一個LED；第一光學元件可為橢圓形反射器，而第二光學元件可為透鏡；橢圓反射鏡係佈置而使第一LED位於橢圓反射鏡之物焦點，且照明場域之區域位於橢圓反射鏡之像焦點。藉由本發明之裝置之此佈置方式，來自第一LED之第一透射光束如同來自第二LED的第二反射光束聚焦於像焦點；給定二個LED間之光束分光器的位置時，第二反射光束似乎來自第一LED，因而來自物焦點，並因此聚焦於橢圓反射鏡之像焦點；該照明裝置可進一步包含位於每一LED與光束分光器間之第三光學元件，藉此降低合成光束之發散。有利的是，藉由降低合成光束之發散，第一光學元件之照明區域亦減少，藉此可能減少照明裝置之厚度；第三光學元件可為透鏡，經佈置而使得LED之虛像位於橢圓反射鏡之物焦點；以及每一LED具有範圍為3000 K至5000 K之色溫。

本發明亦提供一種醫療照明夾具，更特定為用於照明手術場域，醫療照明夾具包括至少一個此照明裝置。

有利的是，醫療照明夾具可進一步為具有圓頂之類型，其中包括一或更多個此照明設備，照明圓頂部分開放，藉此提供允許圓頂中之空氣流動之優點，更特定為LED周圍、光學元件周圍以及光束分光器周圍。

利用此圓頂配置亦可能使用光束分光器一側的白色LED與另一側的紅色LED，以提高紅色之顯色性，這對組織與血液中之色度間之區別相當重要。合成光束接著附加白光與紅光。合成光束之色溫亦可如上所示調整。

1‧‧‧照明系統

2‧‧‧手術場域

3‧‧‧鉸接懸架臂

4‧‧‧圓頂

5‧‧‧照明裝置

6‧‧‧LED

7‧‧‧第一白光束

8‧‧‧LED

9‧‧‧第二白光束

10‧‧‧光束分光器

11‧‧‧第一之一光束部分

12‧‧‧第一之二光束部分

13‧‧‧第二之一光束部分

14‧‧‧第二之二光束部分

15‧‧‧第一合成光束

16‧‧‧第二合成光束

17‧‧‧電源供應

18‧‧‧控制單元

19‧‧‧第一光學元件

20‧‧‧區域

21‧‧‧第二光學元件

22‧‧‧第三光學元件

23‧‧‧極點

24‧‧‧助

25‧‧‧面板

30‧‧‧支撐器

A‧‧‧軸線

AA‧‧‧軸線

F_i ‧‧‧像焦點

F_o ‧‧‧物焦點

I6‧‧‧電流

I8‧‧‧電流

Tk1‧‧‧色溫

Tk2‧‧‧色溫

Tkr‧‧‧色溫

在藉由非限制性實例與參照隨附圖式之方式閱讀實施例之實施方式可更好地理解本發明，並出現其他優點，其中：第1圖係為用於照明手術場域之照明夾具之示意透視圖，其中夾具採用本發明之照明裝置；第2圖係為表示本發明之照明裝置之原理的高度示意圖；第3圖係為表示本發明之照明裝置之原理的更詳細示意圖；第4圖係為表示本發明之裝置中之電流與色溫間之關係的圖；第5圖係為用於照明手術場域之照明夾具之高度示意透視圖，其中夾具係為具有圓頂之類型，該圓頂結合本發明之複數個照明裝置；第6圖係為支撐LED之實例的示意圖。

第1圖圖示用於照明手術場域照明2之照明系統1，在本實例中係為外科醫生對病人手術之手術場域。在此實例中，照明系統1係以已知方式在手術室天花板上懸掛之類型，且在此實例中，具有二個鉸接懸架臂3，二個鉸接懸架臂3中之每一者帶有結合複數個本發明之照明裝置5之照明圓頂4。

第2圖圖示本發明之照明裝置5原理之圖，在此實例中，包含第一LED 6與第二LED 8，第一LED 6佈置成發射具有第一色溫Tk1之第一白光束7之第一光束，而第二LED 8佈置成發射具有第二色溫Tk2之第二白光束9之第二光束，第二色溫TK2不同於第一色溫。

照明裝置5進一步包含光束分光器10，佈置成將第一白光束7分割為第一之一光束部分11與第一之二光束部分12，並將第二光束9分割為第二之一光束部分13與第二之二光束部分14，第一之一光束部分11由光束分光器10反射，第一之二光束部分12由光束分光器10透射或折射，第二之一光束部分13由光束分光器10反射，第二之二光束部分14由光束分光器10透射或折射。

有利的是，如在第2圖中可看出，第一LED 6、第二LED 8與光束分光器10相對於彼此以立體佈置，以此方式使由光束分光器10透射之第一之二光束部分12與由光束分光器10反射之第二之一光束部分13重疊，以形成具有位於第一色溫Tk1與第二色溫Tk2間之中間色溫Tkr的第一合成白光束15，並以此方式使由光束分光器10反射之第一之一光束部分11與由光束分光器10透射之第二之二光束部分14重疊，以形成第二合成白光束16，第二合成白光束16與光束15相同，並具有相同的中間色溫Tkr。

根據本發明，並可從第2圖理解，照明裝置5因此可能產生二個基本相同的合成光束15、16，其中每一光束含有來自第一LED 6之光通量與來自第二LED 8之光通量。有利的是，LED 6、8與光束分光器10之相對佈置以接近以附加之方式重疊來自LED 6、8之光束。

照明裝置5因此得以產生非常均勻的白光，該白光具有中間色溫，且具有等於第一與第二LED 6、8之各別光通量總和之總光通量。來自第一與第二LED 6、8之光束完全混合，而無需使用光導或限制光產率之任何其他光學裝置。

光束分光器10應該可能在二個相對面之每一者以 100%理論產率分割光束，即沒有任何損失，包含例如50%之反射與50%之透射，或例如30%之反射與70%之透射。舉例而言，可能使用光譜中性的高效率二色性或半反射鏡作為光束分光器10，並包括金屬或合適介電化合物之薄層覆蓋之背板(由玻璃或合成材料製成)，在二個相對面之每一者，用於把入射光束分割成反射光束與折射光束，此分割發生在光強度之光譜上或者確實在入射通量之波長之光譜上。

根據本發明，並如第2圖所示，照明裝置5可進一步包含電源供應構件17，電源供應構件17適合以各別分開可變大小來饋送電流I6、I8至第一及第二LED 6、8，而控制單元18佈置成控制電源供應構件17，而使當第一及第二LED 6、8各別電流變化時，總光通量保持恆定。第一與第二合成光束15、16之每一者之中間色溫Tkr可因此隨著第一與第二LED 6、8各自的饋送電流之函數而變化，隨後將更詳細地解釋。

電源供應構件17可為單一電源供應或在兩個不同電源供應構件之形式。

在光束分光器10之上游，每一LED 6、8可連接至冷卻散熱器，例如利用散熱膏。

在第2圖所示之實例中，第二LED 8相對於第一LED 6轉至90°，即由第一LED 6發射之第一白光束7基本上垂直於由第二LED 8發射之第二白光束9。第一與第二LED 6、8係設置於離光束分光器10相同之距離，以取得二個在幾何、光通量及色彩均勻性相同之合成光束16、15。第2圖圖示相對於第一與第二白光束7、9之軸基本上等於45°之傾斜角度之半反射鏡，以使光束之分割更有效率。

由第3圖中可見，照明裝置5可進一步包含光學元件19，光學元件19佈置成將第一合成光束15聚焦於照明場域2之特定區20，以及第二光學元件21佈置成將第二合成光束16聚焦於同一區20。此區20通常具有大約範圍10公分(cm)至30cm之直徑並具有可在範圍30cm至60cm之高度的筒狀照明體。

利用照明裝置5之此佈置，首先來自第一LED 6之第一白光束7之一半係朝第一光學元件19透射(第一之二光束部分12)，且第一白光束7之一半朝第二光學元件21反射(第一之一光束部分11)，再者，來自第二LED 8之第二白光束9之一半朝第一光學元件19反射(第二之一光束部分13)，並且第二白光束9之一半朝第二光學元件21透射(第二之二光束部分14)。

在有利的方式中，如第3圖所示，第一光學元件19係佈置為橢圓反射鏡，而使第一LED 6定位於橢圓反射鏡19之物焦點F_o ，而區域20係定位於橢圓反射鏡19之像焦點F_i 。有利的是，藉由第一及第二LED 6、8、光束分光器10及橢圓反射鏡19之佈置，發現所有第一合成光束15的光線(即來自第一LED 6之第一之二光束部分12與來自第二LED 8之第二之一光束部分13)聚焦在區域20中之像焦點F_i 。來自第二LED 8之第二之一光束部分13由光束分光器10反射，而呈現為似乎來自第一LED 6，並因此從物焦點F_o 聚焦在區域20中之像焦點F_i 。

亦可如第3圖所示，第二光學元件21係為透鏡，透鏡位於離光束分光器10一些距離之第二合成光束16中，以將第二合成光束16之光線朝區域20聚焦。給定第一與第二LED 6及8、光束分光器10與第二光學元件21之幾何配置，來自第二LED 8之第二之二光束部分14發現本身聚焦在區域20中之像焦點F_i ，如同來自第一LED 6而由光束分光器10反射而呈現為似乎來自第二LED 8之第一之一光束部分11。可以理解的是，第二合成光束16亦可偏轉，例如藉由將透鏡21之出口面傾斜或藉由實際上偏移透鏡21，而相對於LED偏離中心。在此實例中，二個光束15及16會聚於手術場域的區域20中之點F_i 。

第3圖圖示定位在LED 6與光束分光器10間，並亦在LED 8及光束分光器10間之第三光學元件22，並執行降低白光束7及9之發散之功能。因此，此光學元件22能夠達成合成光束15及16之發散之普遍降低，而在第一光學元件19上之照明區域中，藉此可能減少圓頂4之厚度。此光學元件22可為透鏡，經佈置以藉由例如透鏡建立第一LED 6之虛像係定位於第一光學元件19之像焦點F_o 。以此方式，從透鏡發射之光束似乎來自第一光學元件19之像焦點F_o ，並因此朝區域20中之橢圓反射鏡19之像焦點F_i 聚焦。同樣適用於LED 8與透鏡22。

為了取得適合用於醫療環境中之照明，白色LED係由於在範圍85至100，較佳範圍為90至100，或甚至是範圍95至100之高顯色指數以及在範圍3000 K至5000 K之色溫而被選擇。在實例中，能夠使用具有3000 K之色溫Tk1之LED 6，與具有5000 K的色溫Tk2之LED 8。然後，如下面更詳細地描述，當電流I6、I8以基本相同大小分別流經第一與第二LED 6、8時，取得具有中間色溫約4000 K Tkr之白光照明。

較佳地，第一與第二LED 6、8係由於除了色溫之外幾何上相同而被選擇，以避免第一與第二LED 6與8間之光通量之任何差異，並取得均勻照明。舉例而言，第一與第二LED間之任何差異可為形成LED之螢光體粉末之混合組合物。較佳地，LED由於來自同一供應商而被選擇，具有，例如相同封包與相同電子晶片，並要求相同類型的電源供應。

因此，可以理解的是，本發明之相同照明裝置5僅包含白光LED，照明裝置5之光通量中之障礙物的存在不會在手術場域2建立任何彩色陰影。

此外，應理解，來自LED之光通量取決於通過LED 之電流大小。根據本發明，控制單元18經佈置以使分別流通第一與第二LED 6、8之電流I6、I8之大小，根據連通管原理而改變，以維持總光通量恆定，因此，在手術場域2之照明保持恆定，同時中間色溫不斷變化。術語「恆定」在此處用於表示光通量在5%以內相同。

因此，本發明之照明裝置5僅藉由饋送至第一與第二LED 6及8之各別電流大小之適當變化而產生具有中間色溫Tkr之白光，以恆定照明，中間色溫Tkr可在LED 6之第一色溫Tk1與LED 8之第二色溫Tk2間改變。

第4圖係為曲線圖，圖示饋送能夠保持總光通量恆定之不同電流I6、I8至第一與第二LED 6和8之基礎上取得照明裝置5之照明光之多種溫度Tkr。在曲線圖上可以看出，第一與第二LED 6、8之適當電流根據連通管原理而改變(即基本上互補與相對之方式)，並同時考慮小修正。更特定言之，若用於饋送第一與第二LED 6、8之電流使得第一與第二LED 6、8之各別光通量相等，則中間色溫Tkr係為第一與第二色溫Tk1及Tk2之總和的一半。若第二LED 8之電流為零，則中間色溫等於第一LED 6之第一色溫。反之，若第一LED 6之電流為零，則中間色溫等於第二LED 8之第二色溫。當通過第二LED 8之電流相對於通過第一LED 6之電流更高，則中間色溫傾向第二LED 8之第二色溫，反之亦然。

藉由利用適當的感應器(如光譜儀)來測量由照明裝置5產生之光之光譜取得第4圖之曲線圖，並藉由以習知方式使用光譜來評估由照明裝置5產生之光的色溫。校準由照明裝置5建構以指示將供應之用於LED 6及8饋送電流之大小，以取得照明裝置5之一定中間色溫。

此感應器(例如光譜儀)可因此併入本發明之照明裝置5，以即時測量中間色溫Tkr，而調整分別流經第一與第二LED 6、8之電流I6、I8。

可在第4圖中看出，由於第一與第二LED 6、8具有3000K及5000K之各別色溫，可能導致照明裝置5之中間色溫變化，在此實例之階段，係在約3000K與約5000K之間。

第5圖係合併複數個照明裝置5之圓頂型之照明夾具之高度示意圖。在此實例中，圓頂係為一般半球狀，該半球狀係為扁圓並在極點23凹陷。經線弧上之內部肋24沿圓頂之旋轉軸線A-A均勻間隔開來，每一肋24分隔二個相鄰的照明裝置5。如第5圖所示，照明裝置5之橢圓反射鏡19一般由面板25在圓頂內側上構成，面板25限定於成對之相鄰肋24之間並形成橢圓體之部分。第5圖亦圖示具有平面或圓對稱之板之光束分光器10，且亦圖示LED 6和8係分佈圍繞軸線A-A。

有利的是，所有成對相鄰並分佈圍繞軸線A-A之鏡10可設計為一個面的環狀部分。同樣，橢圓反射器19亦可設計為環形的單一部分。電源供應17與控制單元18可有利地放置在圓頂之極點23而不與光學系統本身干擾。

在照明夾具(像是圓頂4)中，LED 8與LED 6一樣多。在此實例中，LED 6與LED 8分別設置在由支撐器30之外週緣定義之二個同心環，支撐器30係在第6圖中以透視表示以及在第3圖之軸向截面中之T形截面。在T形的頂部部分，支撐器30係為承載LED 8之盤狀物之形式，向下朝T形底部照明。此外，在T形的底部部分，支撐器係為與盤狀物相同軸線之直徑較小之圓柱體之形式，並承載LED 6，相對於T形橫向照明。如第3圖所示，T形支撐器30沿手術場域之照明區域20之軸線A軸向延伸。支撐器30亦可因此作為用於LED 6及8之散熱器。

當然，本發明不以任何方式限制上述實施例中之一者之描述，並可進行修改而不超出本發明的範圍。更特定言之，取決於市售可取得之LED之功率與所期望之照明功率，則可能選擇在每一照明裝置5中安裝一或更多個LED 6與一或更多個LED 8。但使用非常強大的單一LED，如6或8，能夠減少照明裝置中電子卡片之面積，而提供經濟與生態優點。此外，亦可使用一個白色LED 6與一個紅色LED 8，以提高顯色指數R9。