可变光斑LED无影灯的光学设计方法技术

本发明专利技术公开一种可变光斑LED无影灯的光学设计方法，用于在移动外围光源模块以实现光斑变化过程中，始终能够满足无影灯的标准要求，通过构建数学函数来建立单光斑照度分布以及单光斑在叠加和移动过程中随其形状和移动量而变时的总光斑照度分布的数学模型，结合预先设定的照度均匀度、加工工艺以及实际使用要求时的单光斑大小、形状和最大移动量，确定单光斑的照度分布、移动量以及总光斑的可变范围。本发明专利技术所提供的设计方法，通过在数学平台上编写光学设计软件，使设计过程简单和方便。

【技术实现步骤摘要】
可变光斑LED无影灯的光学设计方法
本专利技术涉及一种无影灯的设计方法，更具体地说，涉及一种光斑大小可以变化的LED无影灯的设计方法。
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自身存在的先天缺陷，是环形节能灯的升级换代产品。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。
技术实现思路
本专利技术为解决上述现有技术中存在的技术问题，提供一种可变光斑LED无影灯的光学设计方法，通过在数学平台上编写光学设计软件，从而使设计过程变得非常简单和方便，满足标准以及实际使用中的要求。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：可变光斑LED无影灯的光学设计方法，该无影灯主要由一个中心光源模块以及外围多个相同的围成圈的光源模块组成，该方法用于在沿径向移动外围光源模块的光斑以实现灯具的总光斑尺寸变化过程中，始终能够满足无影灯国际标准的要求，具体步骤如下：1）、构建单个光源模块形成的单光斑照度分布的二维数学模型；在离开光源距离1m处，其照度是中心照度的1/2和1/10处的光斑直径大小分别设为和，上述数学模型能够满足无影灯国际标准中≥c*的要求,其中c为可变系数，且0.5≤c≤1；2）、以上述中三个中心位于同一直线的单光斑数学模型来构建三光斑的照度分布数学模型，该数学模型中，三个单光斑通过沿径向移动和叠加来代表无影灯在光斑变化过程中的总照度分布的二维数学模型；3)、将步骤1）中的中心光源模块光斑的照度分布作为灯具在最小光斑时的照度分布；4）、用步骤1）、2）的数学模型来计算不同系数c、不同移动量xc时的总光斑的变化；5）、根据步骤4）中总光斑的变化，确定在满足设定的照度均匀度、加工工艺以及实际使用要求时的单光斑大小、形状c和沿径向的最大移动量xc，从而得到总光斑尺寸的可变范围。所述步骤1）中构建单个光源模块的光斑照度分布的二维数学模型的方法是，构建单光斑照度分布函数，其中，为所述的单光斑的。所述步骤2）中总照度分布的二维数学模型的实现方法是，构建总光斑照度分布函数，其中，中心光源模块形成的单光斑的和外围光源模块形成的单光斑的可以相同或不同。所述无影灯由一个中心光源模块以及六个围成一圈的外围光源模块组成，且中心光源模块与外围光源模块的发光强度相同。还包括一验证方法,具体如下：a）、构建可变光斑无影灯中的多个单光斑照度分布的三维数学模型，采用构建单光斑照度分布函数来实现，其中，，、c分别为所述步骤5）中确定的单光斑的D10和c值，，，，，，，；b）、将步骤a）中单光斑的照度分布作为灯具在最小光斑时的照度分布；c）、构建一个中心光源模块和外围光源模块所形成的多个单光斑移动和叠加时的总照度分布的三维数学模型，采用构建多光斑照度分布函数，其中c和xc为所述步骤5）中确定的单光斑的形状c和最大移动量xc。d）、根据步骤c）中总光斑的变化，来验证上述确定的b、c和xc的值是否在三维情况下也能够满足设定的照度均匀度、加工工艺、实际使用以及国际标准中的要求。所述无影灯由一个中心光源模块以及个相同的围成一圈的外围光源模块组成，且中心光源模块与外围光源模块的发光强度不同，满足，其中为中心光源模块的发光强度，为外围光源模块的发光强度，。本专利技术技术方案，由于没有复杂的计算，一般的工程技术人员就可以进行，通过在数学平台上编写光学设计软件，设计就变成了一种非常简单的傻瓜式过程。本专利技术设计方法是：对无影灯在调节过程中的总光斑的变化首次用数学模型给以定量的图形描述，并给出单光斑设计要求，调节范围等参数，其特点是：1能比较方便地设计出满足国际标准要求的LED无影灯；2设计步骤简单、精确度高；3为LED无影灯中透镜的设计提供了单个透镜光强分布的目标设计要求；4为LED无影灯的设计提供了外围模块移动量、总光斑变化范围等的目标设计要求。4既包含设计过程，也包含验证过程，从而使设计结果更具准确可靠。附图说明图1是LED无影灯国际照明标准示意图；图2是实施例一的LED无影灯光源模块分布示意图；图3是本专利技术设计方法的流程图；图4是构建单光斑照度分布的二维数学模型图；图5是构建由三个单光斑组成的照度分布的二维总数学模型图；图6是由三个单光斑组成的二维总数学模型中总光斑随单光斑形状c而变的图示；图7是由三个单光斑组成的二维总数学模型中总光斑随外围光斑移动量xc而变的图示；图8是由三个最佳单光斑组成的二维总数学模型；图9是由本专利技术方法得出的最佳单光斑照度分布的二维光学模型图；图10是本专利技术验证方法中构建单光斑照度分布的三维光学模型图；图11是三个单光斑在移动量xc=60时的照度分布的三维总数学模型图；图12是三个单光斑在移动量xc=80时的照度分布的三维总数学模型图；图13是三个单光斑在移动量xc=90时的照度分布的三维总数学模型图。具体实施方式以下通过附图和具体实施例对本专利技术所提供的设计方法做一详细的描述：图1是LED无影灯国际照明标准示意图。标准的具体要求是：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。因此，本专利技术设计方法要求在光斑变化的整个过程中必须始终能偶满足该标准的要求。图2是一实施例的LED无影灯光源模块分布示意图。该实施例中的LED无影灯是由一个中心光源模块1和六个围成一圈分布的外围光源模块2组成，即一加六等于七的排布方式。为了简化设计以及后期产品的生产加工过程，整个无影灯采用同一种规格的透镜，即，该七个光源模块的光斑大小相同，也即，D10相同，发光强度分布相同。本专利技术所要实现的光斑可变是通过六个外围光源模块2所形成的单光斑沿径向移动来实现的。因此，为了使模块2所形成的六个单光斑移动过程中不仅要求一直满足上述国际标准的要求，而且能够达到一定的照度均匀度。因此，必须确定在满足设定的照度均匀度、加工工艺实际使用要求以及国际标准中要求的单光斑大小、形状c和最大移动量xc这三个数据。本专利技术设计方法中，LED无影灯的光源模块分布也可以采用其他的排布方式，即一加N的排布方式，，而且中心光源模块1与外围光源模块2的发光强度也可以不同，则设计时需满足，其中为中心光源模块的发光强度，为外围光源模块的发光强度。采用这种方法，从而使光斑在变化过程中能够兼顾照度均匀度的要求。图3所示是本专利技术设计方法流程图。首先构建单光斑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可变光斑LED无影灯的光学设计方法，该无影灯主要由一个中心光源模块以及外围多个相同的围成圈的光源模块组成，其特征在于，该方法用于在沿径向移动外围光源模块的光斑以实现灯具的总光斑尺寸变化过程中，始终能够满足无影灯国际标准中的要求，具体步骤如下：1）、构建单个光源模块形成的单光斑照度分布的二维数学模型,方法是，构建单光斑照度分布函数，其中，为所述单光斑的；在离开光源距离1m处，其照度是中心照度的1/2和1/10处的光斑直径大小分别设为和，上述数学模型能够满足无影灯国际标准中≥c*的要求,其中c为可变系数，且0.5≤c≤1；2）、以三个中心位于同一直线的单光斑数学模型来构建三光斑的照度分布数学模型，该数学模型中，三个单光斑通过沿径向移动和叠加来代表无影灯在光斑变化过程中的总照度分布的二维数学模型,实现方法是，构建总光斑照度分布函数，其中，中心光源模块形成的单光斑的和外围光源模块形成的单光斑的可以相同或不同；3)、将步骤1）中的中心光源模块光斑的照度分布作为灯具在最小光斑时的照度分布；4）、用步骤1）、2）的数学模型来计算在不同系数c、不同移动量xc时的总光斑的变化；5）、根据步骤4）中总光斑的变化，确定在满足设定的照度均匀度、加工工艺以及实际使用要求时的单光斑大小、形状c1和沿径向的最大移动量xcmax，从而得到总光斑尺寸的可变范围。2.根据权利要求1所述的可变光斑LED无影灯的光学设计...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈必寿，周士康，韩红梅，陈琮，
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：