LED手术无影灯用透镜的设计方法技术

本发明专利技术公开一种LED手术无影灯用透镜的设计方法，根据透镜呈旋转对称的特性，在90度范围的旋转截面内分别对透镜的各个组成面的截面形状进行设计，将整个透镜的照度分布分解为两个部分，该两个部分的照度分布分别通过透镜的不同面负责完成，即，用透镜的不同出光面负责不同的光斑大小。对这两个部分的设计也分别采用了远场和近场两种照明方法。两个部分的照度分布根据所需要设计的透镜尺寸要求进行分配，设计过程中采用简单的折射定律和反射定律，就能求得透镜多个面的形状。本发明专利技术方法对LED光源没有任何要求，适用于任何类型的LED光源，且对光线利用率非常高。

【技术实现步骤摘要】
LED手术无影灯用透镜的设计方法
本专利技术涉及一种光学元件的设计方法，更具体地说，涉及一种满足LED手术无影灯国际标准要求的无影灯用透镜的设计方法。
技术介绍
无影灯是用来照明外科手术部位不可缺少的重要设备。目前手术灯一般都采用环形节能灯或卤素灯，但随着LED技术的不断发展，特别是高亮度白光LED的发展，LED无影灯彻底解决了环形节能灯或卤素灯自身存在的先天缺陷，是环形节能灯或卤素灯的升级换代产品。手术无影灯要求能以最佳深度和角度观察手术部位，可变光斑比固定光斑更适合手术需求。但通常手术无影灯由于照明深度的问题不适宜调节光斑大小，就算调也是调节范围很小。目前，国内的无影灯都不具备可变光斑的功能。LED光源作为新兴光源应用于手术无影灯领域，相比传统无影灯可以解决可变光斑的问题。为了实现光斑可变，可以采用调节透镜离开LED的距离的方式，但变化量小，结构上实现难，且要求精度高。或者采用多种透镜分别开启的方式，但势必造成成本高、效率低、且不能无级调节。同时，按照LED无影灯国际标准中的要求，在光斑变化过程中，应该满足在照度为中心照度的1/2和1/10、离开光源距离1m处的光斑直径的大小D50和D10之间满足标准D50≥c*D10的要求,c为可变系数且0.5≤c≤1。本申请人在申请号为201210165923.3的中国专利技术专利申请中，公开了一种可变光斑LED手术无影灯的总体光学设计方法。应用该方法可以提供满足国际标准要求的可变光斑LED手术无影灯中单个透镜的最佳光强分布。在得出无影灯中使用的单个透镜的最佳光强分布以后，用什么样的方法能够有效设计出该透镜的形状，依然是一个尚待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术为解决上述技术问题，提供一种LED手术无影灯用透镜的设计方法，该方法通过简单、直观的设计步骤，得到满足国际标准要求的LED手术无影灯用的透镜，光线利用率很高，适用于各种类型的LED光源。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：LED手术无影灯用透镜的设计方法，所述透镜是由五个面组成的旋转对称体，分别是依次相接的第一入射面、第二入射面、第三全反射面、第二出射面和第一出射面，其设计步骤如下：1）、在任一过光源光轴的截面上，以光轴为一角边，以位于光轴单侧90度范围内的截面为旋转截面，将被照面与该旋转截面的交线段，即被照面在该旋转截面上的光斑大小按照透镜的尺寸要求划分成光线经第一出射面后形成的A段以及光线经第二出射面后形成的B段；且，A段的照度分布与B段的照度分布的叠加为整体透镜的照度分布，所述整体透镜的照度分布满足LED手术无影灯国际标准要求“在照度为中心照度的1/2和1/10、离开光源距离1m处的光斑直径的大小D50和D10之间满足D50≥c*D10的要求,其中c为可变系数且0.5≤c≤1”；其中，第一入射面和第一出射面的设计步骤如下：a)、在上述旋转截面上，按照所使用的LED裸芯片尺寸以及所述被照面上A段的尺寸，根据SMS方法（simultaneousmultiplesurface，多表面同时计算）设计出透镜的第一入射面和第一出射面在所述旋转截面上的截面；b)、若所使用的光源是LED裸芯片封装体，则需要对步骤a）中得出的第一入射面和第一出射面的形状进行修正，修正方法是：通过光线追迹法,根据所述LED裸芯片以及所述LED裸芯片封装体的光线参数，得出两者在被照面上形成的光斑大小的比例常数，该比例常数也为LED裸芯片与LED封装体分别在被照面上形成的光斑大小的比例，根据上述LED裸芯片形成的被照面上A段的尺寸，从而得出所述LED封装体所对应的被照面上光斑的大小，使用SMS设计方法对步骤a）中得出的第一入射面和第一出射面的截面形状进行优化和修正；第二入射面的设计步骤如下：c）、在所述旋转截面上，以光源到第一入射面和第二入射面的交点的连线为一角边，以垂直于光轴的直线为另一角边，该角即为光源入射到第二入射面上的发光角，将该发光角按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等；d)、在所述旋转截面上，将被照面上的B段划分成多个与所述小角一一对应的小段，调整各小段的长度使其与光源到该小段上被照点的距离的平方成反比，与照度成正比；e）、给定所述发光角的两条边缘入射光线经过第二入射面后的折射光线方向，将该两条折射光线的夹角等分成多个与所述小角一一对应的角，角边作为入射光线经过第二入射面后的折射光线方向，也即射向第三全反射面的入射光线方向，根据折射定律以及所述的小角，求出第二入射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为第二入射面在所述旋转截面上的截面；第三全反射面的设计步骤如下：f）、根据透镜形状要求在过光源且垂直于光轴的直线上取一点作为第三全反射面上的起始特征点，令该起始特征点的入射光线经第三全反射面后的反射光线经过第二出射面上远离光轴的那个边缘特征点，且该入射光线和反射光线之间的夹角α≥2arcsin(1/n)，其中n是透镜的折射率；再给定经第三全反射面反射后的另一条边缘反射光线方向，将该两条反射光线的夹角等分成多个与所述小角一一对应的角，角边作为光线经过第三全反射面后的反射光线方向，也即射向第二出射面的入射光线方向，根据所述反射光线与e）步骤中确定的射向第三全反射面的入射光线，通过反射定律求出第三全反射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为第三全反射面在所述旋转截面上的截面；第二出射面的设计步骤如下：g）、在所述旋转截面上，以被照面上各小段的端点与光源的连线方向作为光线经过第二出射面后的折射光线方向，根据上述步骤f）中所述射向第二出射面的入射光线方向，以第一出射面上远离光轴的那个边缘特征点作为第二出射面上的起始特征点，通过折射定律求出第二出射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为第二出射面在所述旋转截面上的截面；2）、将第一入射面和第三全反射面位于垂直于光轴方向的两个特征点用线段连接起来；3）、将上述求得的透镜在所述旋转截面上的各截面绕光源光轴旋转，即可得到该LED无影灯用的立体透镜。所述A段和B段重合，即所述A段和B段均为被照面与所述旋转截面的交线段。所述A段和B段将被照面与所述旋转截面的交线段划分成两个部分。所述A段为被照面与所述旋转截面的交线段，所述B段为所述交线段的一部分。述B段为被照面与所述旋转截面的交线段，所述A段为所述交线段的一部分。所述各特征点依次用直线或平滑曲线连接起来。在所述旋转截面上，所述透镜第一入射面的两个边缘特征点中，位于过光源垂直于光轴的轴线上的特征点离光轴的距离比该面上的其他特征点离光轴的距离大，最远离垂直于光轴的轴线的特征点离光轴的距离比该面上的其他特征点离光轴的距离小。所述分别位于第三全反射面与第二出射面上的两个相邻的边缘特征点之间用线段连接起来。所述透镜采用折射率为1.3~4.2之间的透明材料。本专利技术技术方案，根据透镜呈旋转对称的特性，在90度范围的旋转截面内分别对透镜的各个组成面的截面形状进行设计，对LED光源没有任何要求，适用于任何型号或品牌的LED光源，包括LED裸芯片和LED裸芯片的封装体，在该角度范围内的光线包含了采用任意光源发出的所有光线，因此，光线利用率本文档来自技高网...

【技术保护点】
LED手术无影灯用透镜的设计方法，所述透镜是由五个面组成的旋转对称体，分别是在任一旋转截面上依次相接的第一入射面、第二入射面、第三全反射面、第二出射面和第一出射面，其设计步骤如下：1）、在任一过光源光轴的截面上，以光轴为一角边，以位于光轴单侧90度范围内的截面为旋转截面，将被照面与该旋转截面的交线段，即被照面在该旋转截面上的光斑大小按照透镜的尺寸要求划分成光线经第一出射面后形成的A段以及光线经第二出射面后形成的B段；且，A段的照度分布与B段的照度分布的叠加为整体透镜的照度分布，所述整体透镜的照度分布满足LED手术无影灯国际标准要求“在照度为中心照度的1/2和1/10、离开光源距离1m处的光斑直径的大小D50和D10之间满足D50≥c*D10的要求,其中c为可变系数且0.5≤c≤1”；其中，第一入射面和第一出射面的设计步骤如下：a)、在上述旋转截面上，按照所使用的LED裸芯片尺寸以及所述被照面上A段的尺寸，根据SMS方法（simultaneous？multiple？surface，多表面同时计算）设计出透镜的第一入射面和第一出射面在所述旋转截面上的截面形状；b)、若所使用的光源是LED裸芯片的封装体，则需要对步骤a）中得出的第一入射面和第一出射面的形状进行修正，具体是：通过光线追迹法,根据所述LED裸芯片以及所述LED裸芯片的封装体各自的光线参数，得出两者在被照面上形成的光斑大小的比例常数，该比例常数也为LED裸芯片与LED封装体分别在被照面上形成的光斑大小的比例，根据上述LED裸芯片形成的被照面上A段的尺寸，从而得出所述LED封装体所对应的被照面上光斑的大小，再次使用SMS方法对步骤a）中得出的第一入射面和第一出射面的截面形状进行修正；第二入射面的设计步骤如下：c）、在所述旋转截面上，以光源到第一入射面和第二入射面的交点的连线为一角边，以垂直于光轴的直线为另一角边，该角即为光源入射到第二入射面上的发光角，将该发光角按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等；d)、在所述旋转截面上，将被照面上的B段划分成多个与所述小角一一对应的小段，调整各小段的长度使其与光源到该小段上被照点的距离的平方成反比，与照度成正比；e）、给定所述发光角的两条边缘入射光线经过第二入射面后的折射光线方向，将该两条折射光线的夹角等分成多个与所述小角一一对应的角，角边作为入射光线经过第二入射面后的折射光线方向，也即射向第三全反射面的入射光线方向，根据折射定律以及所述的小角，求出第二入射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为第二入射面在所述旋转截面上的截面；？？？第三全反射面的设计步骤如下：f）、根据透镜形状要求在过光源且垂直于光轴的直线上取一点作为第三全反射面上的起始特征点，令该起始特征点的入射光线经第三全反射面后的反射光线经过第二出射面上远离光轴的那个边缘特征点，且该入射光线和反射光线之间的夹角α≥2arcsin(1/n)，其中n是透镜的折射率；再给定经第三全反射面反射后的另一条边缘反射光线方向，将该两条反射光线的夹角等分成多个与所述小角一一对应的角，角边作为光线经过第三全反射面后的反射光线方向，也即射向第二出射面的入射光线方向，根据所述反射光线与e）步骤中确定的射向第三全反射面的入射光线，通过反射定律求出第三全反射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为第三全反射面在所述旋转截面上的截面；？？？？第二出射面的设计步骤如下：g）、在所述旋转截面上，以被照面上各小段的端点与光源的连线方向作为光线经过第二出射面后的折射光线方向，根据上述步骤f）中所述射向第二出射面的入射光线方向，以第一出射面上远离光轴的那个边缘特征点作为第二出射面上的起始特征点，通过折射定律求出第二出射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为第二出射面在所述旋转截面上的截面；2）、将第一入射面和第三全反射面位于垂直于光轴方向的两个特征点用线段连接起来；3）、将上述求得的透镜在所述旋转截面上的各截面绕光源光轴旋转，即可得到该LED无影灯的立体透镜。...

【技术特征摘要】
1.LED手术无影灯用透镜的设计方法，所述透镜是由五个面组成的旋转对称体，分别是在任一旋转截面上依次相接的第一入射面、第二入射面、第三全反射面、第二出射面和第一出射面，其特征在于，其设计步骤如下：1）、在任一过光源光轴的截面上，以光轴为一角边，以位于光轴单侧90度范围内的截面为旋转截面，将被照面与该旋转截面的交线段，即被照面在该旋转截面上的光斑大小按照透镜的尺寸要求划分成光线经第一出射面后形成的A段以及光线经第二出射面后形成的B段；且，A段的照度分布与B段的照度分布的叠加为整体透镜的照度分布，所述整体透镜的照度分布满足LED手术无影灯国际标准要求“在照度为中心照度的1/2和1/10、离开光源距离1m处的光斑直径的大小D50和D10之间满足D50≥c*D10的要求,其中c为可变系数且0.5≤c≤1”；其中，第一入射面和第一出射面的设计步骤如下：a)、在上述旋转截面上，按照所使用的LED裸芯片尺寸以及所述被照面上A段的尺寸，根据SMS方法（simultaneousmultiplesurface，多表面同时计算）设计出透镜的第一入射面和第一出射面在所述旋转截面上的截面形状；b)、若所使用的光源是LED裸芯片的封装体，则需要对步骤a）中得出的第一入射面和第一出射面的形状进行修正，具体是：通过光线追迹法,根据所述LED裸芯片以及所述LED裸芯片的封装体各自的光线参数，得出两者在被照面上形成的光斑大小的比例常数，该比例常数也为LED裸芯片与LED封装体分别在被照面上形成的光斑大小的比例，根据上述LED裸芯片形成的被照面上A段的尺寸，从而得出所述LED封装体所对应的被照面上光斑的大小，再次使用SMS方法对步骤a）中得出的第一入射面和第一出射面的截面形状进行修正；第二入射面的设计步骤如下：c）、在所述旋转截面上，以光源到第一入射面和第二入射面的交点的连线为一角边，以垂直于光轴的直线为另一角边，两个角边形成的角即为光源入射到第二入射面上的发光角，将该发光角按照发光强度随发光角度的分布规律划分成多个小角，并使分布在每个小角内的光线的光通量相等；d)、在所述旋转截面上，将被照面上的B段划分成多个与所述小角一一对应的小段，调整各小段的长度使其与光源到该小段上被照点的距离的平方成反比，与照度成正比；e）、给定所述发光角的两条边缘入射光线经过第二入射面后的折射光线方向，将该两条折射光线的夹角等分成多个与所述小角一一对应的角，角边作为入射光线经过第二入射面后的折射光线方向，也即射向第三全反射面的入射光线方向，根据折射定律以及所述的小角，求出第二入射面上的各个特征点的位置，将各特征点依次连接，形成一条连续曲线即为第二入射面在所述旋转截面上的截面；第三全反射面的设计步骤如下：f）、根据透镜形状要求在过光源且垂直于光轴的直线上取一点作为...

【专利技术属性】
技术研发人员：周士康，韩红梅，何孝亮，夏仰军，
申请(专利权)人：上海三思电子工程有限公司，上海三思科技发展有限公司，嘉善三思光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：