一种基于全内反射透镜的LED手术头灯制造技术

本实用新型专利技术属于非成像光学设计技术领域，具体为一种基于全内反射透镜的LED手术头灯。其包括LED光源和全内反射透镜；全内反射透镜整体呈水平放置的杯子状，其底部设有圆柱型孔道，圆柱形孔道的内壁为入射柱面，圆柱形孔道的顶面为折射非球面，LED光源安装在圆柱形孔道内；全内反射透镜的内壁为全内反射球面，全内反射透镜的顶部为出射平面，出射平面的直径大于圆柱形孔道的直径。该手术头灯的透镜结构紧凑，配光性能优异，且无需设置光阑，具有较高的光能利用率，并在目标面上产生均匀的辐照分布，能够有效解决现有手术头灯存在的光能利用率低、光斑不均匀等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于全内反射透镜的LED手术头灯
本技术属于医用照明和检测
，具体涉及一种基于全内反射透镜的LED手术头灯。
技术介绍
手术头灯等照明设备一直是重要的医用器材，其可以帮助医生识别、观察和快速定位目标，以便病因分析或手术治疗。照明效率和辐照均匀度是手术头灯等医用照明设备的重要评价指标，提高的照明效率可以提高目标面上的总体照度，进而可以观察更多的细节或者获得更清晰的图像，而良好的辐照均匀度可以避免出现光斑不均匀而导致的眩光等现象，提高医学观察的图像质量，是后期进行病因分析和手术治疗的重要保证。LED作为21世纪重要光源，其具有寿命长、节能、光效高等优点，但LED特殊的光强分布，在没有任何配光器件的条件下，其在目标面的照明效率和辐照均匀度并不理想，难以满足一般的照明需求，所以需要专门为其设计一款配光器件，以改善其照明效率和辐照均匀度，使其满足医用手术头灯的照明需求，专利CN111396761A和专利CN111396762A分别公开的两种基于透镜组的LED头灯，其采用了两个或三个透镜，并加入了光阑，才在目标面上实现了比较均匀的光斑，但由于光阑的加入，大量LED出射光线被遮挡，再加上多个透镜的光能损耗，最终造成照明效率底下，其光能利用率不到50%，此外，采用双透镜或三透镜的透镜组方案，其占用了大量的空间，导致其手术头灯的结构不够紧凑。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种基于全内反射透镜的LED手术头灯，以解决现有手术头灯照明效率低、结构臃肿等性能不足的问题。本技术的技术方案具体介绍如下。一种基于全内反射透镜的LED手术头灯，其包括LED光源和全内反射透镜；所述全内反射透镜整体呈水平放置的杯子状，其底部设有圆柱型孔道，圆柱形孔道的内壁为入射柱面，圆柱形孔道的顶面为折射非球面，LED光源安装在圆柱形孔道内；全内反射透镜的内壁为全内反射球面，全内反射透镜的顶部为出射平面，出射平面的直径大于圆柱形孔道的直径；工作时，LED光源出射的小角度光线到达折射非球面，经折射非球面配光后到达出射平面；LED光源出射的大角度光线到达入射柱面后，经入射柱面折射到全内反射非球面上，在全内反射非球面上发生全内反射到达出射平面。本技术中，LED光源和全内反射透镜安装在手术头灯外壳中，手术头灯外壳一侧预留一个圆形的开孔，出射平面与开孔处持平。本技术中，LED光源的功率范围为1~3Watt，色温范围为3500-5500K。本技术中，全内反射透镜的材质为SCHOTT玻璃材质或者Corning玻璃材质。本技术中，LED光源至全内反射透镜的出射平面的长度小于10mm。本技术中，LED光源出射的小角度光线的角度在0~35.94°之间，大角度光线的角度在35.94°~90°之间。本技术中，LED光源及其电路板以及全内反射透镜安装在一个封装外壳中，封装外壳中包括有LED光源及其电路板，以及全内反射透镜，外壳一侧预留一个圆形开孔，全内反射出射平面与开孔处持平，LED手术头灯的光线从此开孔处出射。本技术充分考虑了医用手术头灯的照明需求，并深入了解了现有医用手术头灯的缺点，采用了基于全内反射透镜的LED手术头灯光学设计，可以满足医用手术、机器视觉等行业的高质量照明需求，其有益性充分体现在：1、本技术采用的LED光源，其功率范围可以在目标面上生成照度适中的光斑，同时其色温范围符合人眼习惯，刺激性小，不易造成人眼疲劳；2、本技术采用的全内反射透镜，结构紧凑，仅需单个配光透镜对LED光源进行配光，照明效率高；3、本技术无需设置光阑，避免了LED出射光线的大量浪费；4、本技术提供的基于全内反射透镜的手术头灯可以在目标上产生均匀光斑，具有较高的辐照均匀度；5、本技术可通过LightTools光学设计软件，采用合理的全内反射透镜初始结构，并以此为基础作进一步优化，设计过程的简单、快速，适用于多种照明需求；6、本技术采用的全内反射透镜的材质为SCHOTT玻璃或具有相近折射率和透光率的材质，无需镀光学薄膜，成本低廉。综上所述，相较于现有的透镜组+光阑结构的手术头灯，本技术仅需单颗透镜，无需光阑，结构紧凑，结构简单，成本低廉，可在目标面上产生均匀的光斑（16°，＞85%），且具有更高的照明效率（70.14%），在提升性能的同时，进一步简化了结构，减少了手术头灯的体积，适合批量生产，有利于规模推广。附图说明图1为本技术基于全内反射透镜的LED手术头灯系统示意图。图2为本技术实施例中全内反射透镜结构示意图。图3为本技术实施例中LED手术头灯系统的LightTools光线追迹图。图4为本技术实施例中LED手术头灯的辐射强度分布图。图5为本技术实施例中距离LED光源300.00mm处目标面的辐照分布图。图6为本技术实施例中距离LED光源2000.00mm处目标面的辐照分布图。图中标号:1-LED光源；2-全内反射透镜，20-折射非球面，21-入射柱面，22-全内反射非球面，23-出射平面；3-目标面；4-手术头灯外壳；5-LED光源电路板。具体实施方式以下通过具体实施例和相关附图对本技术作进一步详细说明。实施例1如图1和2所示，本技术提供的一种基于全内反射透镜的LED手术头灯，包括LED光源1和对LED光源进行二次配光的全内反射透镜2；其中全内反射透镜2整体呈水平放置的杯子状，其底部设有圆柱型孔道，圆柱形孔道的内壁为入射柱面21，圆柱形孔道的顶面为折射非球面20，LED光源1安装在圆柱形孔道内；全内反射透镜2的内壁为全内反射球面2，全内反射透镜2的顶部为出射平面23，出射平面23的直径大于圆柱形孔道的直径。在本实施例中，LED光源1及其电路板以及全内反射透镜2安装在一个手术头灯外壳4中，手术头灯外壳4一侧预留一个圆形开孔，出射平面23与开孔处持平，LED手术头灯的光线从此开孔处出射。在本实施例中，所述LED光源选用SeoulSemiconductor公司的SZ8-Y19-WN-C9发光芯片，色温为~4000K，发光效率为~118lm/W，透镜材质选用SCHOTT玻璃的NBK7材质，透镜的折射非球面20和入射柱面21的直径为5.80mm，透镜的出射平面23的直径为19.42mm，透镜在光轴方向上的长度为10.00mm。如图3所示，在本实施例中，在光学设计软件LightTools中对基于全内反射透镜LED手术头灯进行光线追迹。所选用LED光源1的小角度光线（0.00°~35.94°）经过折射非球面20，随后经折射非球面20配光后达到出射平面23，最终入射到目标面3；LED光源1大角度光线（35.94°~90.00°）经过全内反射面22的配光后，到达入射柱面21，并经入射柱面21折射到全内反射非球面22上，在全内反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全内反射透镜的LED手术头灯，其特征在于，其包括LED光源（1）和全内/n反射透镜（2）；所述全内反射透镜（2）整体呈水平放置的杯子状，其底部设有圆柱型孔道，圆柱形孔道的内壁为入射柱面（21），圆柱形孔道的顶面为折射非球面（20），LED光源（1）安装在圆柱形孔道内；全内反射透镜（2）的内壁为全内反射非球面（22），全内反射透镜（2）的顶部为出射平面（23），出射平面（23）的直径大于圆柱形孔道的直径；工作时，LED光源（1）出射的小角度光线到达折射非球面（20），经折射非球面（20）配光后到达出射平面（23）；LED光源（1）出射的大角度光线到达入射柱面（21）后，经入射柱面（21）折射到全内反射非球面（22）上，在全内反射非球面（22）上发生全内反射到达出射平面（23）。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于全内反射透镜的LED手术头灯，其特征在于，其包括LED光源（1）和全内
反射透镜（2）；所述全内反射透镜（2）整体呈水平放置的杯子状，其底部设有圆柱型孔道，圆柱形孔道的内壁为入射柱面（21），圆柱形孔道的顶面为折射非球面（20），LED光源（1）安装在圆柱形孔道内；全内反射透镜（2）的内壁为全内反射非球面（22），全内反射透镜（2）的顶部为出射平面（23），出射平面（23）的直径大于圆柱形孔道的直径；工作时，LED光源（1）出射的小角度光线到达折射非球面（20），经折射非球面（20）配光后到达出射平面（23）；LED光源（1）出射的大角度光线到达入射柱面（21）后，经入射柱面（21）折射到全内反射非球面（22）上，在全内反射非球面（22）上发生全内反射到达出射平面（23）。


2.根据权利要求1所述的基于全内反射透镜的LED手术头灯，其特征在于，LED光源（1）和全内反射透镜（2）安装在手术头灯外壳（4）中，手术头灯外壳（4）一侧预留一个圆形的开...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔令豹，孙翔，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：新型
国别省市：上海;31