[发明专利]一种自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统

摘要

本发明涉及一种自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统，包括左侧的LED光源及右侧的自由曲面透镜，由LED光源发出的单色光通过自由曲面透镜后形成照明平面，其中，LED光源包括圆形灯板，在圆形灯板上匀距间隔制有多个灯孔，在每个灯孔中间隔安装相同功率的蓝绿LED组合灯珠或单个绿色LED灯珠；其中，自由曲面透镜面型的确定包括(1)建立坐标；(2)公式计算自由曲面透镜的面型；(3)得到自由曲面的离散数据坐标；(4)求得自由曲面透镜外形。本发明弥补传统光学的不足，满足大面积均匀照明的要求，极大得提高了光能利用率，实现了高度均匀的光疗效果，提高了黄疸治疗效率。

主权项

一种自由曲面式新生儿黄疸光疗照明系统，其特征在于：包括左侧的LED光源及右侧的自由曲面透镜，由LED光源发出的单色光通过右侧的自由曲面透镜后在自由曲面透镜右侧400mm±100mm处形成照明平面，其中，LED光源进一步包括圆形灯板，在圆形灯板上匀距间隔制有多个灯孔，在每个灯孔中间隔安装有相同功率的蓝绿LED组合灯珠或单个绿色LED灯珠；其中，自由曲面透镜面型的确定方法包括如下步骤：(1)建立坐标，将LED光源中心置于坐标原点(0，0)，照明平面与x轴平行，照明平面的中心在y轴上，照明平面为半径是R的圆形平面，透镜介质的折射率为n；(2)公式计算自由曲面透镜的面型，包括步骤内容如下：①边界条件设定设LED光源的出射光半角为θ，则最大出射光半角：θmax=π2---(1-1)]]>当出射光半角增大至θmax时，最外层光线到达照明平面的位置与r0点的距离为R，即圆形光斑的半径R，即边界条件为rmax＝R；②得出自由曲面最终微分方程假设所设计的自由曲面透镜为理想光学元件，根据能量守恒原理，光通量关系用以下公式表示：2π∫0θxI(θ)sinθdθ=2π∫0rxE(r)rdr---(1-2)]]>式中I(θ)为出射光光强，为出射光半角θ的函数，对于LED光源，由于其光强分布为朗伯分布，满足：I(θ)＝I0cosθ  (1‑3)I0为光源中心光强，(1‑3)式中为照射平面的照度，由于设计目标是在照明平面实现均匀照度，因此照度E(r)为一常数，即：E(r)＝E0  (1‑4)将(1‑3)式以及(1‑4)式代入到(1‑2)式中，并利用边界条件rmax＝R，求解积分方程可以得到：r＝Rsinθ  (1‑5)将一条从光源射出最终到达照明平面的光线近似看做是三段光线，假设光线从(0，0)射出与自由曲面1相交于点(x1，y1)，然后穿过透镜后交于透镜自由曲面2点(x2，y2)处，最后和目标照明平面相交于点(x3，y3)，在自由曲面1下方，入射光线的入射角度为α1，射出自由曲面1的角度α2，射出自由曲面2的角度α3，设自由曲面1点(x1，y1)处的法线斜率为k1，自由曲面2点(x2，y2)处的法线斜率为k2，另外，三段光线与x轴的夹角分别设为β1，β2和β3，由于空气的折射率近似为1，透镜的折射率为n，则由几何光学的折射定律可得：sinα1＝nsinα2  (1‑6)nsinα2＝sinα3  (1‑7)三段光线的斜率分别为tanβ1，tanβ2和tanβ3，根据其光线位置关系可以得到以下表述式：tanα1=k1-tanβ11+ntanβ1---(1-8)]]>tanα2=k1-tanβ21+ntanβ2---(1-9)]]>tanα2=k2-tanβ21+ntanβ2---(1-10)]]>tanα3=k2-tanβ31+ntanβ3---(1-11)]]>由此解的：k1=nsinβ1-sinβ2ncosβ1-cosβ2---(1-12)]]>k2=nsinβ2-sinβ3ncosβ2-cosβ3---(1-13)]]>根据光线坐标位置求得：sinβ1=y1x12+y12---(1-14)]]>cosβ1=x1x12+y12---(1-15)]]>sinβ2=y2-y1(x2-x1)2+(y2-y1)2---(1-16)]]>cosβ2=x2-x1(x2-x1)2+(y2-y1)2---(1-17)]]>sinβ3=y3-y2(x3-x2)2+(y3-y2)2---(1-18)]]>cosβ3=x3-x2(x3-x2)2+(y3-y2)2---(1-19)]]>将(1‑14)(1‑15)(1‑16)(1‑17)(1‑18)(1‑19)式子代入(1‑12)和(1‑13)，经过化简后可得到关于自由曲面的微分方程：k1=dydx=ny1(y2-y1)2+(x2-x1)2-(y2-y1)x12+y12nx1(y2-y1)2+(x2-x1)2-(x2-x1)x12+y12---(1-20)]]>k2=dydx=ny2(y3-y2)2+(x3-x2)2-(y3-y2)x22+y22nx2(y3-y2)2+(x3-x2)2-(x3-x2)x22+y22---(1-21)]]>根据边界条件(1‑5)和θ以及β之间的位置关系，推出x2=Rx1x12+y12---(1-22)]]>x3=Rx1x22+y22---(1-23)]]>将(1‑22)，(1‑23)带入(1‑20)和(1‑21)，得出自由曲面最终微分方程：k1=dydx=ny1(y2-y1)2+(Rx1x12+y12-x1)-(y2-y1)x12+y12nx1(y2-y1)2+(Rx1x12+y12-x1)-(x2-x1)x12+y12---(1-24)]]>k2=dydx=ny2(y3-y2)2+(Rx2x22+y22-x2)-(y3-y2)x22+y22nx2(y3-y2)2+(Rx2x22+y22-x2)-(x3-x2)x22+y22---(1-25);]]>(3)得到自由曲面的离散数据坐标通过Matlab软件使用龙格库塔法即可实现对该微分方程的数值求解，并得到自由曲面的离散数据坐标；(4)求得自由曲面透镜外形将Matlab中自由曲面离散数据坐标导入机械制图软件solidworks中，化点为面，求得自由曲面透镜外形；而且，所述圆形灯板的具体结构为，在圆形灯板的中心处、以圆心向外发散的圆形灯板边缘处，以及中心与灯板边缘之间的中间环形处均制有距间相同的灯孔，在灯板边缘的一周灯孔内，间隔安装有相同功率的蓝绿LED组合灯珠或单个绿色LED灯珠，同样，在中间环形的一周灯孔内，也间隔安装有相同功率的蓝绿LED组合灯珠或单个绿色LED灯珠，在中心灯孔内安装相同功率的蓝绿LED组合灯珠。