半導體發光二極管(LED)可應用于黃疸的治療, 其中LED藍綠光照射患兒是全球公認最安全高效、經濟便捷的方法。本研究在一種LED藍綠光作為光源的黃疸光療系統中利用復眼透鏡陣列實現大面積均勻照明。基于AMC7150芯片構建恒流驅動模塊, AT89C52單片機和LCD12864液晶顯示屏構建人機交互模塊。根據國家光療設備安全專用要求YY0669-2008, 設計并實現了光斑面積S=250 mm×500 mm、藍光輻照度E藍光≥2 mW/cm2、綠光輻照度E綠光≥1.5 mW/cm2、光均勻度≥90%的黃疸光療系統。和傳統光療系統相比, 這種新系統治療效果更好, 生物安全性更高, 更易實現人機交互, 更經濟便捷。
引用本文： 牛萍娟, 朱文睿, 于莉媛, 吳英蕾, 郭高攀, 馬楠. 基于復眼透鏡LED藍綠光黃疸光療系統的研究與設計. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(4): 698-706. doi: 10.7507/1001-5515.20160115 復制
0 引言
據統計，全球大約75%的新生兒在出生后一周內會出現不同程度的黃疸癥狀。黃疸是血液中高未結合膽紅素過量(高未結合膽紅素＞221 mol/L)所造成的。高未結合膽紅素通過新生兒血腦屏障進入其腦組織，容易損傷新生兒神經系統甚至危及生命，因此社會和家庭必須高度重視，早發現早治療。利用波段在430~470 nm的半導體發光二極管(light emitting diode, LED)藍光照射新生兒黃疸部位[1]，能高效促使膽紅素氧化或異構并隨著膽汁、尿液、體液排出體外，從而達到治療目的[2]，因此患兒不再需要采用針灸換血等痛苦手術療法。由Natus公司生產的NeoBlue光療儀在美國市場具有較高的占有率，它通過引腳式LED光源陣列滿足光療對光照強度和光照面積的要求，但電路復雜、光亮度無法線性調節且人機交互困難；通用公司的BiliBlanket藍光毯利用光導纖維使光源“零距離”接觸嬰兒，雖無光能量衰減，但價格昂貴，維護難度大；國產寧波戴維醫療器械有限公司和北京巨龍三優科技有限公司生產的黃疸光療儀采用的是傳統光源與LED藍光相結合的模式，但是光均勻度低下同時熱輻射可能灼傷嬰兒嬌嫩皮膚[3]。此外大劑量藍光照射本身具有潛在的可導致患兒增加黑素痣數量、患皮膚癌、免疫系統功能失調以及視網膜受損等副作用。因此根據以上國內外光療設備現狀，本文提出一種基于復眼透鏡實現均勻照明、LED藍綠光線性可調的黃疸光療系統。本研究采用AMC7150芯片構建恒流驅動模塊，AT89C52單片機和LCD12864液晶顯示屏構建人機交互模塊，并與傳統光療系統相比，探討其可靠性和實用性。
1 整體系統概況及原理
LED黃疸光療系統主要分為以下四個模塊：均勻照明模塊、恒流驅動模塊、人機交互模塊和散熱模塊。通過搭配光療箱和儲物箱完成整機系統的構建，如圖 1所示。
圖1
光療系統整機
Figure1.
Complete machine of the phototherapy system
1.1 基于藍綠色LED和復眼透鏡組成的均勻照明模塊
影響光療的因素有光輻射波長、光斑面積、光輻射度以及光均勻度[4]。膽紅素分子對380~530 nm波段的紫、藍、綠三色光吸收能力較強，對波長在459 nm的藍光吸收效率最高。由于波長在500 nm的綠光導致患兒發熱、腹瀉、皮疹等副作用概率更小，且綠光對皮膚的穿透能力更強[5]，因此本文中光源采用LED藍、綠光混光的形式來滿足光療輻照度的需求，從而達到有效治療病情嚴重的黃疸患兒并克服傳統光療儀的諸多副作用及不穩定性等目的。根據黃疸患兒體征和理想光療指征，我們提出設計光斑面積S=250 mm×500 mm，藍光輻照度E藍光≥2 mW/cm2，綠光輻照度E綠光≥1.5 mW/cm2，光均勻度≥90％。
本系統中采用雙排復眼透鏡實現光斑的高度均勻性。復眼透鏡陣列是由參數完全相同的微透鏡按照一定方式排列而成。照明系統中需要兩塊參數相同的復眼透鏡陣列平行放置，整個光學系統所有透鏡處于同一光軸。復眼透鏡陣列F2小透鏡的幾何中心處在復眼透鏡陣列F1的每個小透鏡的焦距f處。在復眼透鏡陣列F1光入射端前放置準直鏡CL提供平行光，復眼透鏡陣列F2后放置聚焦鏡FL，聚焦鏡將光線聚焦后射入照明平面P形成整個照明系統，如圖 2所示。
圖2
復眼透鏡均勻照明系統
Figure2.
Fly eye lens system for uniform illumination
朗伯型LED點光源L發出的光經過準直透鏡CL后，以平行光射出直接射向第一列復眼透鏡F1。第一列復眼透鏡N個小透鏡將整支寬光束分裂成N支細光束來進行照明，每支細光束范圍內的均勻性極大地優于整支寬光束范圍內的均勻性。第二列復眼透鏡F2對應位置的小透鏡將第一列復眼透鏡F1上射出的光通過聚焦鏡FL重迭成像于照明平面P上，由于光學系統的對稱性，每個細小范圍內的光的不均勻性相互補償，最終形成矩形光斑并且實現均勻照明[6]。
考慮到光學系統像差、透鏡加工復雜程度及成本等因素，選擇復眼透鏡的個數不宜過多[7]。我們設計采用10列5行復眼透鏡，參數設計如表 1所示，利用透明樹脂通過三維打印技術實現復眼透鏡的加工。
表1
復眼透鏡陣列模擬參數表
Table1.
Simulation parameter table of the fly eye lens array
利用積分球測量LED芯片的光電參數，結果顯示光療系統需要10顆波長為459 nm的藍色LED和15顆波長為500 nm的綠色LED，采用鋁基板做散熱燈板，表面組裝技術(surface mount technology, SMT)回流焊封裝大功率LED芯片[8]。
1.2 基于AMC7150芯片構建的恒流驅動模塊
AMC7150是一種僅需5個外部零件的高功率LED驅動集成電路(intergrated circuit, IC)。AMC7150內建脈沖寬度調制信號(pulse width modulation，PWM)和功率晶體管，工作頻率可達200 kHz。輸入電壓4~40 V，驅動電流0~1.5 A動態可調。同時內置過壓保護，適合驅動一顆以上串聯功率LED[9]，最高驅動功率可達24 W。這里我們設計的單個恒流驅動模塊如圖 3所示。根據積分球對LED藍綠芯片光電測試，需三路驅動電路，藍色一路，綠色兩路，驅動電壓分別為36、36、19 V。每路分別接上AMC7150，同時接受從IN4148輸入的單片機產生的PWM使能信號的控制。輸入電容C7用作于保持輸入電壓并濾除IC產生的開關噪聲。R12為峰值電流感測電阻，決定通過LED的峰值電流，AMC7150引腳OSC上的接地電容C4用作設置開關頻率，降壓電感器在開關導通期間存儲能量，在開關關斷時則通過LED和續流二極管D28放電。為使變換器工作在連續導電模式時電感電流不降為0，電感器電感值應足夠大。
圖3
恒流驅動模塊
Figure3.
Constant current driving module
1.3 基于AT89C52單片機和LCD12864液晶顯示芯片構建的人機交互模塊
顯示調節控制模塊基于低電壓高性能CMOS8位AT89C52單片機和LCD12864液晶顯示芯片。單片機在特定的I/O端口產生PWM使能信號[10]通過小信號高速開關二極管IN4148加至AMC7150引腳OSC。通過調節PWM占空因數，可以實現LED亮度的線性調節。液晶顯示芯片LCD12864采用串口通信方式和單片機進行鏈接從而進行數據的傳輸和顯示。AT89C52單片機同時連接DS1302時鐘電路、DS18B20溫控電路以及指示燈等，采用24 V直流電源給整個系統供電，保障系統正常工作，如圖 4所示。
圖4
人機交互模塊
(a)AT89C52單片機；(b)LCD12864液晶顯示芯片；(c)DS1302時鐘電路；(d)DS18B20溫控電路
Figure4. Man-machine interaction module(a) AT89C52 microcontrollers; (b) LCD12864 display chip; (c) DS1302 clock circuit; (d) DS18B20 thermal control circuit
2 散熱模塊
考慮到LED光療系統在工作中產生的熱量不及時排出，不僅會使芯片效率降低，還會折損LED芯片的壽命，此外多余的熱量會對患兒造成生理上的不適，因此在本系統中需要增加散熱裝置。我們采用特殊形狀“太陽花”型鋁型材散熱裝置(見圖 5)，大面積散熱肋片通過與與空氣接觸，利用空氣對流將熱量散發到周圍，效率高、成本低、噪音小。肋片直徑120 mm，高度50 mm。光療系統正常運行熱功率約42 W，利用太陽花散熱裝置實測光源溫度值為24°，舒適清涼，完全不會對皮膚造成影響。
圖5
太陽花散熱裝置
Figure5.
Sun flower heat radiator
3 結果與分析
3.1 照明效果分析
我們采用光學仿真軟件Tracepro對光線進行追跡模擬[11]，在400 mm工作距離處得到一個面積為250 mm×500 mm光斑，如圖 6所示。
圖6
均勻照明的光斑
Figure6.
Uniform illumination spot
選用北京泊菲萊科技有限公司I400光輻照計進行光密度檢測，將有效光斑區域250 mm×500 mm分成5×10個50 mm×50 mm正方形測量子區域，測量目標為各子區域幾何中心點，測量點間距為10 mm，設定照射距離為400 mm，測量光密度值換算成藍綠光輻照度值，如圖 7所示(紅色代表LED藍光輻射度，藍色代表LED綠光輻射度)。有效照明平面內光譜輻射度總體趨勢平穩，藍綠光輻射度符合設計要求。
圖7
藍綠光輻照度
Figure7.
Blue and green light irradiance
根據國家光治療設備安全專用要求中最新的關于膽紅素總輻照度的均勻性規定[12]，均勻性系數為輻照度平均值與輻照度最大值之比。輻照度測量值如圖 8所示，根據均勻度定義可得藍綠光均勻度均＞90％，達到設計要求。
圖8
輻照度測量值
Figure8.
Measured irradiance values
本系統和寧波戴維公司的XHZ-90黃疸治療系統進行光熱參數對比(如表 2所示)。分析表 2所得結果，可知本系統光均勻度更高、散熱性能更好、輻照效率高、治療面積更大、使用壽命更長、更安全，優于已有設備。
表2
光療系統性能參數對比
Table2.
Comparison of phototherapy system performance parameters
3.2 透鏡對光斑效果的影響
從準直鏡的半徑和厚度、準直鏡與光源的距離、復眼透鏡微透鏡參數、照明面和光源的距離以及準直鏡安裝誤差容錯性這幾個方面對照明效果的影響做了分析。
3.2.1 準直鏡對照明效果的影響
在照明系統中，光源的發散光通過準直鏡后，以平行光射入復眼透鏡陣列。在介質折射率不變的前提下，但改變準直鏡半徑r和厚度h，光斑的面積和均勻性都會受到不同影響。
當準直鏡的半徑r=5.5 mm保持不變，厚度h增加，光斑面積S減小，均勻度90%范圍內的面積也隨之減小，光斑均勻性下降，但藍綠光輻照度上升，如圖 9所示。當厚度h增加至2.9 mm時，光斑面積、光均勻度和藍綠光輻照度均達標。
圖9
準直鏡厚度對光斑效果的影響
(a)光斑面積；(b)光斑均勻性系數；(c)藍綠光輻照度
Figure9. Influence of the thickness of the collimator on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient; (c) blue and green light irradiance
當準直鏡厚度h固定在2.9 mm不變，半徑r變化，光斑面積S隨著半徑r的增大而增大，均勻度90%范圍內的面積也隨之增大，均勻性系數增加，但藍綠光輻照度下降，如圖 10所示。而當半徑r保持在5.5 mm時，光斑面積、均勻度和藍綠光輻照度均可達標。
圖10
準直鏡半徑對光斑效果的影響
(a)光斑面積；(b)光斑均勻性系數；(c)藍綠光輻照度
Figure10. Influence of the radius of the collimator on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient; (c) blue and green light irradiance
當準直鏡厚度h=2.9 mm，半徑r=5.5 mm保持不變，改變準直鏡和光源距離d。距離d越大，光斑面積S越小，均勻度減小，均勻度90%范圍內的面積也隨之減小，如圖 11所示。光療系統內準直鏡應盡可能貼近光源。
圖11
準直鏡與光源之間的距離對光斑效果的影響
(a)光斑面積；(b)光斑均勻性系數；(c)藍綠光輻照度
Figure11. Influence of the distance between the collimator lens and the light source on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient; (c) blue and green light irradiance
3.2.2 復眼透鏡微透鏡對光斑效果的影響
在照明系統中復眼透鏡實現大面積均勻照明，在介質折射率不變的情況下，改變微透鏡的半徑和厚度，光斑會有不同的影響，變化規律和準直鏡相似。當微透鏡的半徑尺寸是厚度的4倍并且復眼透鏡間距保持在微透鏡焦距附近時(數據略)，光斑的均勻性最好。
3.2.3 照明面和光源的距離對光斑的影響
照明面和光源距離越大，光斑面積越大，但是均勻性相對減小，考慮到實際治療情況[12]，將聚焦透鏡和照明平面的距離控制在400 mm左右較合適(數據略)。
3.2.4 準直鏡安裝誤差容錯性分析
在實際工程中，元件安裝出現的錯誤不容忽視。以兩組復眼透鏡平行為零點。準直鏡在X軸方向或Y軸方向出現(0±10)°的傾斜角時對光斑的面積S影響甚微，而均勻度隨著傾角增大而下降，故均勻光斑的面積隨著傾角的增大而減小(如圖 12所示)。由于傾角變化使得光斑光能分布改變，所以在安裝中要注意準直鏡平行度的控制。
圖12
準直鏡傾角對光斑效果的影響
(a)光斑面積；(b)光斑均勻性系數
Figure12. Influence of collimating lens angle on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient
4 結論
本研究針對目前國內外黃疸光療系統的諸多缺陷，根據理想光療標準，提出一種LED藍綠光混光光療系統解決方案，設計并實現光斑面積S=250 mm×500 mm，藍光輻照度E藍光≥2 mW/cm2，綠光輻照度E綠光≥1.5 mW/cm2，光均勻度≥90％，使光療系統具有更安全、更高效、更穩定、更人性化等優點。通過光學透鏡設計，驅動顯示系統的搭建，黃疸光療系統可實現LED藍綠光組合照射，同時光強線性可調可切換，在醫學上研究小兒黃疸治療方面有具有較高的應用價值和研究意義。
0 引言
據統計，全球大約75%的新生兒在出生后一周內會出現不同程度的黃疸癥狀。黃疸是血液中高未結合膽紅素過量(高未結合膽紅素＞221 mol/L)所造成的。高未結合膽紅素通過新生兒血腦屏障進入其腦組織，容易損傷新生兒神經系統甚至危及生命，因此社會和家庭必須高度重視，早發現早治療。利用波段在430~470 nm的半導體發光二極管(light emitting diode, LED)藍光照射新生兒黃疸部位[1]，能高效促使膽紅素氧化或異構并隨著膽汁、尿液、體液排出體外，從而達到治療目的[2]，因此患兒不再需要采用針灸換血等痛苦手術療法。由Natus公司生產的NeoBlue光療儀在美國市場具有較高的占有率，它通過引腳式LED光源陣列滿足光療對光照強度和光照面積的要求，但電路復雜、光亮度無法線性調節且人機交互困難；通用公司的BiliBlanket藍光毯利用光導纖維使光源“零距離”接觸嬰兒，雖無光能量衰減，但價格昂貴，維護難度大；國產寧波戴維醫療器械有限公司和北京巨龍三優科技有限公司生產的黃疸光療儀采用的是傳統光源與LED藍光相結合的模式，但是光均勻度低下同時熱輻射可能灼傷嬰兒嬌嫩皮膚[3]。此外大劑量藍光照射本身具有潛在的可導致患兒增加黑素痣數量、患皮膚癌、免疫系統功能失調以及視網膜受損等副作用。因此根據以上國內外光療設備現狀，本文提出一種基于復眼透鏡實現均勻照明、LED藍綠光線性可調的黃疸光療系統。本研究采用AMC7150芯片構建恒流驅動模塊，AT89C52單片機和LCD12864液晶顯示屏構建人機交互模塊，并與傳統光療系統相比，探討其可靠性和實用性。
1 整體系統概況及原理
LED黃疸光療系統主要分為以下四個模塊：均勻照明模塊、恒流驅動模塊、人機交互模塊和散熱模塊。通過搭配光療箱和儲物箱完成整機系統的構建，如圖 1所示。
圖1
光療系統整機
Figure1.
Complete machine of the phototherapy system
1.1 基于藍綠色LED和復眼透鏡組成的均勻照明模塊
影響光療的因素有光輻射波長、光斑面積、光輻射度以及光均勻度[4]。膽紅素分子對380~530 nm波段的紫、藍、綠三色光吸收能力較強，對波長在459 nm的藍光吸收效率最高。由于波長在500 nm的綠光導致患兒發熱、腹瀉、皮疹等副作用概率更小，且綠光對皮膚的穿透能力更強[5]，因此本文中光源采用LED藍、綠光混光的形式來滿足光療輻照度的需求，從而達到有效治療病情嚴重的黃疸患兒并克服傳統光療儀的諸多副作用及不穩定性等目的。根據黃疸患兒體征和理想光療指征，我們提出設計光斑面積S=250 mm×500 mm，藍光輻照度E藍光≥2 mW/cm2，綠光輻照度E綠光≥1.5 mW/cm2，光均勻度≥90％。
本系統中采用雙排復眼透鏡實現光斑的高度均勻性。復眼透鏡陣列是由參數完全相同的微透鏡按照一定方式排列而成。照明系統中需要兩塊參數相同的復眼透鏡陣列平行放置，整個光學系統所有透鏡處于同一光軸。復眼透鏡陣列F2小透鏡的幾何中心處在復眼透鏡陣列F1的每個小透鏡的焦距f處。在復眼透鏡陣列F1光入射端前放置準直鏡CL提供平行光，復眼透鏡陣列F2后放置聚焦鏡FL，聚焦鏡將光線聚焦后射入照明平面P形成整個照明系統，如圖 2所示。
圖2
復眼透鏡均勻照明系統
Figure2.
Fly eye lens system for uniform illumination
朗伯型LED點光源L發出的光經過準直透鏡CL后，以平行光射出直接射向第一列復眼透鏡F1。第一列復眼透鏡N個小透鏡將整支寬光束分裂成N支細光束來進行照明，每支細光束范圍內的均勻性極大地優于整支寬光束范圍內的均勻性。第二列復眼透鏡F2對應位置的小透鏡將第一列復眼透鏡F1上射出的光通過聚焦鏡FL重迭成像于照明平面P上，由于光學系統的對稱性，每個細小范圍內的光的不均勻性相互補償，最終形成矩形光斑并且實現均勻照明[6]。
考慮到光學系統像差、透鏡加工復雜程度及成本等因素，選擇復眼透鏡的個數不宜過多[7]。我們設計采用10列5行復眼透鏡，參數設計如表 1所示，利用透明樹脂通過三維打印技術實現復眼透鏡的加工。
表1
復眼透鏡陣列模擬參數表
Table1.
Simulation parameter table of the fly eye lens array
利用積分球測量LED芯片的光電參數，結果顯示光療系統需要10顆波長為459 nm的藍色LED和15顆波長為500 nm的綠色LED，采用鋁基板做散熱燈板，表面組裝技術(surface mount technology, SMT)回流焊封裝大功率LED芯片[8]。
1.2 基于AMC7150芯片構建的恒流驅動模塊
AMC7150是一種僅需5個外部零件的高功率LED驅動集成電路(intergrated circuit, IC)。AMC7150內建脈沖寬度調制信號(pulse width modulation，PWM)和功率晶體管，工作頻率可達200 kHz。輸入電壓4~40 V，驅動電流0~1.5 A動態可調。同時內置過壓保護，適合驅動一顆以上串聯功率LED[9]，最高驅動功率可達24 W。這里我們設計的單個恒流驅動模塊如圖 3所示。根據積分球對LED藍綠芯片光電測試，需三路驅動電路，藍色一路，綠色兩路，驅動電壓分別為36、36、19 V。每路分別接上AMC7150，同時接受從IN4148輸入的單片機產生的PWM使能信號的控制。輸入電容C7用作于保持輸入電壓并濾除IC產生的開關噪聲。R12為峰值電流感測電阻，決定通過LED的峰值電流，AMC7150引腳OSC上的接地電容C4用作設置開關頻率，降壓電感器在開關導通期間存儲能量，在開關關斷時則通過LED和續流二極管D28放電。為使變換器工作在連續導電模式時電感電流不降為0，電感器電感值應足夠大。
圖3
恒流驅動模塊
Figure3.
Constant current driving module
1.3 基于AT89C52單片機和LCD12864液晶顯示芯片構建的人機交互模塊
顯示調節控制模塊基于低電壓高性能CMOS8位AT89C52單片機和LCD12864液晶顯示芯片。單片機在特定的I/O端口產生PWM使能信號[10]通過小信號高速開關二極管IN4148加至AMC7150引腳OSC。通過調節PWM占空因數，可以實現LED亮度的線性調節。液晶顯示芯片LCD12864采用串口通信方式和單片機進行鏈接從而進行數據的傳輸和顯示。AT89C52單片機同時連接DS1302時鐘電路、DS18B20溫控電路以及指示燈等，采用24 V直流電源給整個系統供電，保障系統正常工作，如圖 4所示。
圖4
人機交互模塊
(a)AT89C52單片機；(b)LCD12864液晶顯示芯片；(c)DS1302時鐘電路；(d)DS18B20溫控電路
Figure4. Man-machine interaction module(a) AT89C52 microcontrollers; (b) LCD12864 display chip; (c) DS1302 clock circuit; (d) DS18B20 thermal control circuit
2 散熱模塊
考慮到LED光療系統在工作中產生的熱量不及時排出，不僅會使芯片效率降低，還會折損LED芯片的壽命，此外多余的熱量會對患兒造成生理上的不適，因此在本系統中需要增加散熱裝置。我們采用特殊形狀“太陽花”型鋁型材散熱裝置(見圖 5)，大面積散熱肋片通過與與空氣接觸，利用空氣對流將熱量散發到周圍，效率高、成本低、噪音小。肋片直徑120 mm，高度50 mm。光療系統正常運行熱功率約42 W，利用太陽花散熱裝置實測光源溫度值為24°，舒適清涼，完全不會對皮膚造成影響。
圖5
太陽花散熱裝置
Figure5.
Sun flower heat radiator
3 結果與分析
3.1 照明效果分析
我們采用光學仿真軟件Tracepro對光線進行追跡模擬[11]，在400 mm工作距離處得到一個面積為250 mm×500 mm光斑，如圖 6所示。
圖6
均勻照明的光斑
Figure6.
Uniform illumination spot
選用北京泊菲萊科技有限公司I400光輻照計進行光密度檢測，將有效光斑區域250 mm×500 mm分成5×10個50 mm×50 mm正方形測量子區域，測量目標為各子區域幾何中心點，測量點間距為10 mm，設定照射距離為400 mm，測量光密度值換算成藍綠光輻照度值，如圖 7所示(紅色代表LED藍光輻射度，藍色代表LED綠光輻射度)。有效照明平面內光譜輻射度總體趨勢平穩，藍綠光輻射度符合設計要求。
圖7
藍綠光輻照度
Figure7.
Blue and green light irradiance
根據國家光治療設備安全專用要求中最新的關于膽紅素總輻照度的均勻性規定[12]，均勻性系數為輻照度平均值與輻照度最大值之比。輻照度測量值如圖 8所示，根據均勻度定義可得藍綠光均勻度均＞90％，達到設計要求。
圖8
輻照度測量值
Figure8.
Measured irradiance values
本系統和寧波戴維公司的XHZ-90黃疸治療系統進行光熱參數對比(如表 2所示)。分析表 2所得結果，可知本系統光均勻度更高、散熱性能更好、輻照效率高、治療面積更大、使用壽命更長、更安全，優于已有設備。
表2
光療系統性能參數對比
Table2.
Comparison of phototherapy system performance parameters
3.2 透鏡對光斑效果的影響
從準直鏡的半徑和厚度、準直鏡與光源的距離、復眼透鏡微透鏡參數、照明面和光源的距離以及準直鏡安裝誤差容錯性這幾個方面對照明效果的影響做了分析。
3.2.1 準直鏡對照明效果的影響
在照明系統中，光源的發散光通過準直鏡后，以平行光射入復眼透鏡陣列。在介質折射率不變的前提下，但改變準直鏡半徑r和厚度h，光斑的面積和均勻性都會受到不同影響。
當準直鏡的半徑r=5.5 mm保持不變，厚度h增加，光斑面積S減小，均勻度90%范圍內的面積也隨之減小，光斑均勻性下降，但藍綠光輻照度上升，如圖 9所示。當厚度h增加至2.9 mm時，光斑面積、光均勻度和藍綠光輻照度均達標。
圖9
準直鏡厚度對光斑效果的影響
(a)光斑面積；(b)光斑均勻性系數；(c)藍綠光輻照度
Figure9. Influence of the thickness of the collimator on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient; (c) blue and green light irradiance
當準直鏡厚度h固定在2.9 mm不變，半徑r變化，光斑面積S隨著半徑r的增大而增大，均勻度90%范圍內的面積也隨之增大，均勻性系數增加，但藍綠光輻照度下降，如圖 10所示。而當半徑r保持在5.5 mm時，光斑面積、均勻度和藍綠光輻照度均可達標。
圖10
準直鏡半徑對光斑效果的影響
(a)光斑面積；(b)光斑均勻性系數；(c)藍綠光輻照度
Figure10. Influence of the radius of the collimator on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient; (c) blue and green light irradiance
當準直鏡厚度h=2.9 mm，半徑r=5.5 mm保持不變，改變準直鏡和光源距離d。距離d越大，光斑面積S越小，均勻度減小，均勻度90%范圍內的面積也隨之減小，如圖 11所示。光療系統內準直鏡應盡可能貼近光源。
圖11
準直鏡與光源之間的距離對光斑效果的影響
(a)光斑面積；(b)光斑均勻性系數；(c)藍綠光輻照度
Figure11. Influence of the distance between the collimator lens and the light source on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient; (c) blue and green light irradiance
3.2.2 復眼透鏡微透鏡對光斑效果的影響
在照明系統中復眼透鏡實現大面積均勻照明，在介質折射率不變的情況下，改變微透鏡的半徑和厚度，光斑會有不同的影響，變化規律和準直鏡相似。當微透鏡的半徑尺寸是厚度的4倍并且復眼透鏡間距保持在微透鏡焦距附近時(數據略)，光斑的均勻性最好。
3.2.3 照明面和光源的距離對光斑的影響
照明面和光源距離越大，光斑面積越大，但是均勻性相對減小，考慮到實際治療情況[12]，將聚焦透鏡和照明平面的距離控制在400 mm左右較合適(數據略)。
3.2.4 準直鏡安裝誤差容錯性分析
在實際工程中，元件安裝出現的錯誤不容忽視。以兩組復眼透鏡平行為零點。準直鏡在X軸方向或Y軸方向出現(0±10)°的傾斜角時對光斑的面積S影響甚微，而均勻度隨著傾角增大而下降，故均勻光斑的面積隨著傾角的增大而減小(如圖 12所示)。由于傾角變化使得光斑光能分布改變，所以在安裝中要注意準直鏡平行度的控制。
圖12
準直鏡傾角對光斑效果的影響
(a)光斑面積；(b)光斑均勻性系數
Figure12. Influence of collimating lens angle on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient
4 結論
本研究針對目前國內外黃疸光療系統的諸多缺陷，根據理想光療標準，提出一種LED藍綠光混光光療系統解決方案，設計并實現光斑面積S=250 mm×500 mm，藍光輻照度E藍光≥2 mW/cm2，綠光輻照度E綠光≥1.5 mW/cm2，光均勻度≥90％，使光療系統具有更安全、更高效、更穩定、更人性化等優點。通過光學透鏡設計，驅動顯示系統的搭建，黃疸光療系統可實現LED藍綠光組合照射，同時光強線性可調可切換，在醫學上研究小兒黃疸治療方面有具有較高的應用價值和研究意義。
