曹軼，趙帥鋒，王銀河，陰曉俊，王忠連，安偉國(guó)

沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110043

0 前言

手術(shù)無影燈是手術(shù)室中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其質(zhì)量和性能對(duì)手術(shù)質(zhì)量有直接的影響。手術(shù)燈源發(fā)射的光經(jīng)濾光片透射后，由非球面多棱面反射鏡反射，在燈盤下80～110cm的手術(shù)區(qū)形成一個(gè)同源光柱，光柱內(nèi)的手術(shù)區(qū)具有優(yōu)異的無影效果和亮度適當(dāng)、視覺柔和及顏色清晰的視覺效果。手術(shù)燈根據(jù)光源及結(jié)構(gòu)分類，有鹵素光源手術(shù)燈、LED手術(shù)燈等。在鹵素光源手術(shù)燈中，手術(shù)燈系統(tǒng)需在采用濾光片的同時(shí)實(shí)現(xiàn)隔熱、色溫調(diào)整、高顯色調(diào)整等光學(xué)功能[1-2]。本文介紹該濾光片的設(shè)計(jì)與制備。

1 手術(shù)燈的色溫、顯色指數(shù)及隔熱性能的技術(shù)要求

手術(shù)燈的結(jié)構(gòu)示意圖，見圖1，所用光源是鹵素光源，6片濾光片組合成一個(gè)6面柱狀燈罩，燈泡置于其中，光經(jīng)曲面反射鏡反射后再形成出射光柱。鹵素光源的色溫為2900～3200K，其發(fā)射光譜，見圖2，既有有用的可見光，也有紅外的熱輻射，熱輻射將對(duì)手術(shù)中的醫(yī)生與病人造成不利影響，需要隔絕熱量照射到手術(shù)區(qū)。3000K左右的色溫的鹵素?zé)舭l(fā)射光，其在人的眼視覺中是暖黃色的，顯色性也很低，會(huì)降低手術(shù)醫(yī)生對(duì)手術(shù)視野中的病人的器官、血管等的視覺清晰度與分辨力。因此，在鹵素光源外，需要加上隔熱濾光鏡，將鹵素?zé)舭l(fā)出光的色溫調(diào)整到（4200±150）K，顯色指數(shù)調(diào)整到＞92，紅外熱量隔離＞99% ，接近日光，使眼睛感知的顏色更清晰，利于醫(yī)生快速有效地分辨?zhèn)诓课坏慕M織，并且不會(huì)使醫(yī)護(hù)人員因長(zhǎng)時(shí)間手術(shù)工作而眼睛疲勞。

有的手術(shù)燈濾光片只用未鍍膜的隔熱玻璃，其光譜見圖3。模擬計(jì)算該手術(shù)燈系統(tǒng)的色溫與顯色指數(shù)，見表1?？梢钥吹?，色溫與顯色指數(shù)都達(dá)不到要求。因此，需在隔熱玻璃上鍍制多層干涉薄膜，實(shí)現(xiàn)光譜調(diào)制，以達(dá)到色溫與顯色指數(shù)的要求。

圖1 手術(shù)燈結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 未鍍膜隔熱玻璃光譜

表1 采用未鍍膜隔熱玻璃手術(shù)燈系統(tǒng)的色溫與顯色指數(shù)計(jì)算結(jié)果

2 手術(shù)燈系統(tǒng)色溫與顯色指數(shù)的模擬計(jì)算

為模擬分析手術(shù)燈的色溫與顯色指數(shù)，開發(fā)了手術(shù)燈色溫與顯色指數(shù)的模擬計(jì)算軟件，軟件顯示界面，見圖4。其算法如下：手術(shù)燈的出射光顏色刺激函數(shù)φ（λ）與鹵素光源相對(duì)光譜功率分布S(λ)及濾光片的透射特性τ(λ)關(guān)系，見式(1)。利用近似積分算法計(jì)算出射光的3個(gè)刺激值及色度坐標(biāo)，采用三角插值算法計(jì)算獲得的色溫。顯色指數(shù)按照CIE13.3-1995光源顯色性規(guī)定進(jìn)行計(jì)算[3-4]，見式(2)。

△Ei為參照光源和測(cè)試光源透射濾光片后光照下樣品的色差。

圖4 手術(shù)燈色溫顯色指數(shù)模擬計(jì)算軟件界面

3 鍍多層干涉膜的隔熱濾光片設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 初始光譜設(shè)計(jì)

手術(shù)燈濾光片的隔熱性能主要利用基片在紅外波段的吸收性能，波段在750～900 nm，設(shè)計(jì)鍍制多層干涉薄膜反射，提高隔熱性能。采用以上設(shè)計(jì)濾光片的手術(shù)燈在800～3000 nm波段范圍內(nèi)的熱量隔離＞99%，即透射＜1% ，隔熱性能分析，見圖5。

圖5 隔熱性能

手術(shù)燈的色溫調(diào)整目標(biāo)是將鹵素?zé)舻?000K色溫提升到4200K。以上兩種不同色溫黑體輻射能量的光譜分布E4200(λ)、E3000(λ)，可根據(jù)式(3)計(jì)算，獲得初始設(shè)計(jì)的調(diào)色溫濾光片的透射率要求 ，光譜透射曲線，見圖6。

經(jīng)模擬計(jì)算軟件計(jì)算，采用以上初始光譜設(shè)計(jì)的濾光片的手術(shù)燈的色溫與顯色指數(shù)計(jì)算結(jié)果，見表2?？梢?，采用以上初始設(shè)計(jì)濾光片的手術(shù)燈，其色溫與顯色指數(shù)都很好。從圖6可以看到，采用初始設(shè)計(jì)光譜濾光片的手術(shù)燈，由于濾光片透射光譜在可見光范圍內(nèi)整體透射率較低，手術(shù)燈的光效利用率不高[5]，濾光片光譜需要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表2 優(yōu)化色溫設(shè)計(jì)的濾光片的色溫與顯色指數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果

3.2 手術(shù)燈濾光片光譜的優(yōu)化設(shè)計(jì)

以上初始設(shè)計(jì)雖然色溫滿足要求，但在人眼敏感的500～530 nm光譜范圍見圖7，光透射降低較多，會(huì)大大降低手術(shù)燈的亮度，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法是保持530 nm以下高透射，調(diào)整長(zhǎng)波的各波長(zhǎng)位置的透射率[6-7]，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的濾光片光譜，見圖8。采用以上濾光片手術(shù)燈的色溫與顯色指數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果，見表3，色溫與顯色指數(shù)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表3 色溫與顯色指數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果

結(jié)合人眼的視覺函數(shù)V(λ)[8-9]、優(yōu)化設(shè)計(jì)光譜及理論光譜計(jì)算出射光效率，見公式(4)。采用以上兩種不同濾光片的手術(shù)燈出射光的綜合光利用效率，見圖9。

圖9 優(yōu)化濾光片與初始濾光片光譜及手術(shù)燈光效率對(duì)比

計(jì)算結(jié)果表明，相比與初始設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)光譜的濾光片手術(shù)燈光利用效率提升了93.6%[10-11]。用Essential Macleod軟件設(shè)計(jì)了以上光譜的多層光學(xué)薄膜膜系，材料為TiO2/SiO2，設(shè)計(jì)結(jié)果為40層，都是非規(guī)整厚度膜層，可以達(dá)到以上光譜要求。

3.3 針對(duì)寬角度入射的模擬計(jì)算

濾光片在手術(shù)燈中應(yīng)用的光入射角為0～30°范圍，因此需要計(jì)算濾光片在此范圍內(nèi)手術(shù)燈的色溫與顯色指數(shù)。優(yōu)化光譜膜系在0～30°不同入射角度的透射光譜，見圖10；不同入射角的色溫顯色指數(shù)計(jì)算結(jié)果，見表4（符合設(shè)計(jì)要求）。

圖10 入射角為0～30°的入射光譜

表4 0°～30°入射光的色溫顯色指數(shù)模擬結(jié)果

4 濾光片鍍膜制備與手術(shù)燈應(yīng)用

采用Optorun 的OTFC1300鍍制了優(yōu)化光譜的手術(shù)燈濾光片，該設(shè)備配置多點(diǎn)間接光控系統(tǒng)和大功率離子源，可以實(shí)現(xiàn)非規(guī)整膜系的鍍制，連續(xù)5次（重復(fù)性良好）鍍制的濾光片光譜，見圖11。

該光譜濾光片在手術(shù)燈上獲得了應(yīng)用，并進(jìn)行了手術(shù)燈應(yīng)用系統(tǒng)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了色溫（4200±150）K，顯色指數(shù)＞92，隔熱系數(shù)＞99%的技術(shù)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

在手術(shù)燈中應(yīng)用隔熱玻璃基底上鍍制優(yōu)化設(shè)計(jì)光譜的多層光學(xué)薄膜濾光片，可實(shí)現(xiàn)色溫（4200±150）K，顯色指數(shù)＞92，隔熱＞99%的光學(xué)性能。針對(duì)人眼視覺函數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)濾光片光譜，可使手術(shù)燈在提高隔熱、顯色性能的同時(shí)，提高光利用效率，與未對(duì)視覺函數(shù)優(yōu)化的初始設(shè)計(jì)濾光片的手術(shù)燈比較，提高光利用效率達(dá)93.6 %。

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