曹軼，趙帥鋒，王銀河，陰曉俊，王忠連，安偉國

沈陽儀表科學研究院，遼寧 沈陽 110043

0 前言

手術無影燈是手術室中的關鍵設備之一，其質量和性能對手術質量有直接的影響。手術燈源發(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的手術區(qū)形成一個同源光柱，光柱內的手術區(qū)具有優(yōu)異的無影效果和亮度適當、視覺柔和及顏色清晰的視覺效果。手術燈根據(jù)光源及結構分類，有鹵素光源手術燈、LED手術燈等。在鹵素光源手術燈中，手術燈系統(tǒng)需在采用濾光片的同時實現(xiàn)隔熱、色溫調整、高顯色調整等光學功能[1-2]。本文介紹該濾光片的設計與制備。

1 手術燈的色溫、顯色指數(shù)及隔熱性能的技術要求

手術燈的結構示意圖，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，熱輻射將對手術中的醫(yī)生與病人造成不利影響，需要隔絕熱量照射到手術區(qū)。3000K左右的色溫的鹵素燈發(fā)射光，其在人的眼視覺中是暖黃色的，顯色性也很低，會降低手術醫(yī)生對手術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，將鹵素燈發(fā)出光的色溫調整到（4200±150）K，顯色指數(shù)調整到＞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，并且不會使醫(yī)護人員因長時間手術工作而眼睛疲勞。

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

圖1 手術燈結構示意圖

圖3 未鍍膜隔熱玻璃光譜

表1 采用未鍍膜隔熱玻璃手術燈系統(tǒng)的色溫與顯色指數(shù)計算結果

2 手術燈系統(tǒng)色溫與顯色指數(shù)的模擬計算

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

△Ei為參照光源和測試光源透射濾光片后光照下樣品的色差。

圖4 手術燈色溫顯色指數(shù)模擬計算軟件界面

3 鍍多層干涉膜的隔熱濾光片設計與優(yōu)化

3.1 初始光譜設計

手術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，設計鍍制多層干涉薄膜反射，提高隔熱性能。采用以上設計濾光片的手術燈在800～3000 nm波段范圍內的熱量隔離＞99%，即透射＜1% ，隔熱性能分析，見圖5。

圖5 隔熱性能

手術燈的色溫調整目標是將鹵素燈的3000K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)計算，獲得初始設計的調色溫濾光片的透射率要求 ，光譜透射曲線，見圖6。

經(jīng)模擬計算軟件計算，采用以上初始光譜設計的濾光片的手術燈的色溫與顯色指數(shù)計算結果，見表2?？梢姡捎靡陨铣跏荚O計濾光片的手術燈，其色溫與顯色指數(shù)都很好。從圖6可以看到，采用初始設計光譜濾光片的手術燈，由于濾光片透射光譜在可見光范圍內整體透射率較低，手術燈的光效利用率不高[5]，濾光片光譜需要進行進一步優(yōu)化設計。

表2 優(yōu)化色溫設計的濾光片的色溫與顯色指數(shù)模擬計算結果

3.2 手術燈濾光片光譜的優(yōu)化設計

以上初始設計雖然色溫滿足要求，但在人眼敏感的500～530 nm光譜范圍見圖7，光透射降低較多，會大大降低手術燈的亮度，需要進行優(yōu)化設計。優(yōu)化設計的基本方法是保持530 nm以下高透射，調整長波的各波長位置的透射率[6-7]，優(yōu)化設計后的濾光片光譜，見圖8。采用以上濾光片手術燈的色溫與顯色指數(shù)模擬計算結果，見表3，色溫與顯色指數(shù)都達到了設計要求。

表3 色溫與顯色指數(shù)模擬計算結果

結合人眼的視覺函數(shù)V(λ)[8-9]、優(yōu)化設計光譜及理論光譜計算出射光效率，見公式(4)。采用以上兩種不同濾光片的手術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燈光效率對比

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

3.3 針對寬角度入射的模擬計算

濾光片在手術燈中應用的光入射角為0～30°范圍，因此需要計算濾光片在此范圍內手術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)計算結果，見表4（符合設計要求）。

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)模擬結果

4 濾光片鍍膜制備與手術燈應用

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

該光譜濾光片在手術燈上獲得了應用，并進行了手術燈應用系統(tǒng)的測試，測試結果達到了色溫（4200±150）K，顯色指數(shù)＞92，隔熱系數(shù)＞99%的技術要求。

5 結束語

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

[1]祝月.手術無影燈得質量要求和市場預測[J].中國醫(yī)療器械信息,1999,5(4):44-47.

[2]周文光,魏培德,沙益夫,等.野戰(zhàn)LED手術無影燈的光路設計[J].中國醫(yī)療設備,2011,26(12):31-34.

[3]譚力,劉玉玲,余飛鴻.光源顯色指數(shù)的計算方法研究[J].光學儀器,2004,26(4):41-44.

[4]王安祥,翟學軍,劉漢臣,等.光源相關色溫計算方法的研究[J].西安工程科技學院學報,2006,20(4):490-493.

[5]王玉明.色溫、濾色鏡與白平衡的關系及其應用[J].影視技術,2001,(10):31-32.

[6]M Ou-Yang,S W Huang.Design considerations between color gamut and brightness for multi-primary color displays[J].Journal of Display Technology,2007,3(1):71-82.

[7]G Wyszecki,W S Stiles.Color science:concepts and methods,quantitative data and formulae[M].2nd ed,New York:Wiley,1982.

[8]高昆,程新滿,呂麗麗,等.結合人眼視覺綜合感知差與r－g色域峰值偏的彩色圖像客觀評價方法[J].北京理工大學學報,2012,(3):286-290.

[9]陳振躍,王霞,鄒曉風,等.基于人眼視覺系統(tǒng)的假彩色融合圖像質量的評價方法[J].光子學報,2012,(4):451-455.

[10]胥正祥.照度（Eav）、照明功率密度（LPD）簡易計算法[J].照明設計與節(jié)能,2010,(4):10-15.

[11]屈恩世,張恒金,曹劍中,等.對光學設計中照度計算公式的討論[J].光學學報,2008,28(7):1364-1368.