半导体发光二极管(LED)可应用于黄疸的治疗, 其中LED蓝绿光照射患儿是全球公认最安全高效、经济便捷的方法。本研究在一种LED蓝绿光作为光源的黄疸光疗系统中利用复眼透镜阵列实现大面积均匀照明。基于AMC7150芯片构建恒流驱动模块, AT89C52单片机和LCD12864液晶显示屏构建人机交互模块。根据国家光疗设备安全专用要求YY0669-2008, 设计并实现了光斑面积S=250 mm×500 mm、蓝光辐照度E蓝光≥2 mW/cm2、绿光辐照度E绿光≥1.5 mW/cm2、光均匀度≥90%的黄疸光疗系统。和传统光疗系统相比, 这种新系统治疗效果更好, 生物安全性更高, 更易实现人机交互, 更经济便捷。
引用本文： 牛萍娟, 朱文睿, 于莉媛, 吴英蕾, 郭高攀, 马楠. 基于复眼透镜LED蓝绿光黄疸光疗系统的研究与设计. 生物医学工程学杂志, 2016, 33(4): 698-706. doi: 10.7507/1001-5515.20160115 复制
0 引言
据统计，全球大约75%的新生儿在出生后一周内会出现不同程度的黄疸症状。黄疸是血液中高未结合胆红素过量(高未结合胆红素＞221 mol/L)所造成的。高未结合胆红素通过新生儿血脑屏障进入其脑组织，容易损伤新生儿神经系统甚至危及生命，因此社会和家庭必须高度重视，早发现早治疗。利用波段在430~470 nm的半导体发光二极管(light emitting diode, LED)蓝光照射新生儿黄疸部位[1]，能高效促使胆红素氧化或异构并随着胆汁、尿液、体液排出体外，从而达到治疗目的[2]，因此患儿不再需要采用针灸换血等痛苦手术疗法。由Natus公司生产的NeoBlue光疗仪在美国市场具有较高的占有率，它通过引脚式LED光源阵列满足光疗对光照强度和光照面积的要求，但电路复杂、光亮度无法线性调节且人机交互困难；通用公司的BiliBlanket蓝光毯利用光导纤维使光源“零距离”接触婴儿，虽无光能量衰减，但价格昂贵，维护难度大；国产宁波戴维医疗器械有限公司和北京巨龙三优科技有限公司生产的黄疸光疗仪采用的是传统光源与LED蓝光相结合的模式，但是光均匀度低下同时热辐射可能灼伤婴儿娇嫩皮肤[3]。此外大剂量蓝光照射本身具有潜在的可导致患儿增加黑素痣数量、患皮肤癌、免疫系统功能失调以及视网膜受损等副作用。因此根据以上国内外光疗设备现状，本文提出一种基于复眼透镜实现均匀照明、LED蓝绿光线性可调的黄疸光疗系统。本研究采用AMC7150芯片构建恒流驱动模块，AT89C52单片机和LCD12864液晶显示屏构建人机交互模块，并与传统光疗系统相比，探讨其可靠性和实用性。
1 整体系统概况及原理
LED黄疸光疗系统主要分为以下四个模块：均匀照明模块、恒流驱动模块、人机交互模块和散热模块。通过搭配光疗箱和储物箱完成整机系统的构建，如图 1所示。
图1
光疗系统整机
Figure1.
Complete machine of the phototherapy system
1.1 基于蓝绿色LED和复眼透镜组成的均匀照明模块
影响光疗的因素有光辐射波长、光斑面积、光辐射度以及光均匀度[4]。胆红素分子对380~530 nm波段的紫、蓝、绿三色光吸收能力较强，对波长在459 nm的蓝光吸收效率最高。由于波长在500 nm的绿光导致患儿发热、腹泻、皮疹等副作用概率更小，且绿光对皮肤的穿透能力更强[5]，因此本文中光源采用LED蓝、绿光混光的形式来满足光疗辐照度的需求，从而达到有效治疗病情严重的黄疸患儿并克服传统光疗仪的诸多副作用及不稳定性等目的。根据黄疸患儿体征和理想光疗指征，我们提出设计光斑面积S=250 mm×500 mm，蓝光辐照度E蓝光≥2 mW/cm2，绿光辐照度E绿光≥1.5 mW/cm2，光均匀度≥90％。
本系统中采用双排复眼透镜实现光斑的高度均匀性。复眼透镜阵列是由参数完全相同的微透镜按照一定方式排列而成。照明系统中需要两块参数相同的复眼透镜阵列平行放置，整个光学系统所有透镜处于同一光轴。复眼透镜阵列F2小透镜的几何中心处在复眼透镜阵列F1的每个小透镜的焦距f处。在复眼透镜阵列F1光入射端前放置准直镜CL提供平行光，复眼透镜阵列F2后放置聚焦镜FL，聚焦镜将光线聚焦后射入照明平面P形成整个照明系统，如图 2所示。
图2
复眼透镜均匀照明系统
Figure2.
Fly eye lens system for uniform illumination
朗伯型LED点光源L发出的光经过准直透镜CL后，以平行光射出直接射向第一列复眼透镜F1。第一列复眼透镜N个小透镜将整支宽光束分裂成N支细光束来进行照明，每支细光束范围内的均匀性极大地优于整支宽光束范围内的均匀性。第二列复眼透镜F2对应位置的小透镜将第一列复眼透镜F1上射出的光通过聚焦镜FL重迭成像于照明平面P上，由于光学系统的对称性，每个细小范围内的光的不均匀性相互补偿，最终形成矩形光斑并且实现均匀照明[6]。
考虑到光学系统像差、透镜加工复杂程度及成本等因素，选择复眼透镜的个数不宜过多[7]。我们设计采用10列5行复眼透镜，参数设计如表 1所示，利用透明树脂通过三维打印技术实现复眼透镜的加工。
表1
复眼透镜阵列模拟参数表
Table1.
Simulation parameter table of the fly eye lens array
利用积分球测量LED芯片的光电参数，结果显示光疗系统需要10颗波长为459 nm的蓝色LED和15颗波长为500 nm的绿色LED，采用铝基板做散热灯板，表面组装技术(surface mount technology, SMT)回流焊封装大功率LED芯片[8]。
1.2 基于AMC7150芯片构建的恒流驱动模块
AMC7150是一种仅需5个外部零件的高功率LED驱动集成电路(intergrated circuit, IC)。AMC7150内建脉冲宽度调制信号(pulse width modulation，PWM)和功率晶体管，工作频率可达200 kHz。输入电压4~40 V，驱动电流0~1.5 A动态可调。同时内置过压保护，适合驱动一颗以上串联功率LED[9]，最高驱动功率可达24 W。这里我们设计的单个恒流驱动模块如图 3所示。根据积分球对LED蓝绿芯片光电测试，需三路驱动电路，蓝色一路，绿色两路，驱动电压分别为36、36、19 V。每路分别接上AMC7150，同时接受从IN4148输入的单片机产生的PWM使能信号的控制。输入电容C7用作于保持输入电压并滤除IC产生的开关噪声。R12为峰值电流感测电阻，决定通过LED的峰值电流，AMC7150引脚OSC上的接地电容C4用作设置开关频率，降压电感器在开关导通期间存储能量，在开关关断时则通过LED和续流二极管D28放电。为使变换器工作在连续导电模式时电感电流不降为0，电感器电感值应足够大。
图3
恒流驱动模块
Figure3.
Constant current driving module
1.3 基于AT89C52单片机和LCD12864液晶显示芯片构建的人机交互模块
显示调节控制模块基于低电压高性能CMOS8位AT89C52单片机和LCD12864液晶显示芯片。单片机在特定的I/O端口产生PWM使能信号[10]通过小信号高速开关二极管IN4148加至AMC7150引脚OSC。通过调节PWM占空因数，可以实现LED亮度的线性调节。液晶显示芯片LCD12864采用串口通信方式和单片机进行链接从而进行数据的传输和显示。AT89C52单片机同时连接DS1302时钟电路、DS18B20温控电路以及指示灯等，采用24 V直流电源给整个系统供电，保障系统正常工作，如图 4所示。
图4
人机交互模块
(a)AT89C52单片机；(b)LCD12864液晶显示芯片；(c)DS1302时钟电路；(d)DS18B20温控电路
Figure4. Man-machine interaction module(a) AT89C52 microcontrollers; (b) LCD12864 display chip; (c) DS1302 clock circuit; (d) DS18B20 thermal control circuit
2 散热模块
考虑到LED光疗系统在工作中产生的热量不及时排出，不仅会使芯片效率降低，还会折损LED芯片的寿命，此外多余的热量会对患儿造成生理上的不适，因此在本系统中需要增加散热装置。我们采用特殊形状“太阳花”型铝型材散热装置(见图 5)，大面积散热肋片通过与与空气接触，利用空气对流将热量散发到周围，效率高、成本低、噪音小。肋片直径120 mm，高度50 mm。光疗系统正常运行热功率约42 W，利用太阳花散热装置实测光源温度值为24°，舒适清凉，完全不会对皮肤造成影响。
图5
太阳花散热装置
Figure5.
Sun flower heat radiator
3 结果与分析
3.1 照明效果分析
我们采用光学仿真软件Tracepro对光线进行追迹模拟[11]，在400 mm工作距离处得到一个面积为250 mm×500 mm光斑，如图 6所示。
图6
均匀照明的光斑
Figure6.
Uniform illumination spot
选用北京泊菲莱科技有限公司I400光辐照计进行光密度检测，将有效光斑区域250 mm×500 mm分成5×10个50 mm×50 mm正方形测量子区域，测量目标为各子区域几何中心点，测量点间距为10 mm，设定照射距离为400 mm，测量光密度值换算成蓝绿光辐照度值，如图 7所示(红色代表LED蓝光辐射度，蓝色代表LED绿光辐射度)。有效照明平面内光谱辐射度总体趋势平稳，蓝绿光辐射度符合设计要求。
图7
蓝绿光辐照度
Figure7.
Blue and green light irradiance
根据国家光治疗设备安全专用要求中最新的关于胆红素总辐照度的均匀性规定[12]，均匀性系数为辐照度平均值与辐照度最大值之比。辐照度测量值如图 8所示，根据均匀度定义可得蓝绿光均匀度均＞90％，达到设计要求。
图8
辐照度测量值
Figure8.
Measured irradiance values
本系统和宁波戴维公司的XHZ-90黄疸治疗系统进行光热参数对比(如表 2所示)。分析表 2所得结果，可知本系统光均匀度更高、散热性能更好、辐照效率高、治疗面积更大、使用寿命更长、更安全，优于已有设备。
表2
光疗系统性能参数对比
Table2.
Comparison of phototherapy system performance parameters
3.2 透镜对光斑效果的影响
从准直镜的半径和厚度、准直镜与光源的距离、复眼透镜微透镜参数、照明面和光源的距离以及准直镜安装误差容错性这几个方面对照明效果的影响做了分析。
3.2.1 准直镜对照明效果的影响
在照明系统中，光源的发散光通过准直镜后，以平行光射入复眼透镜阵列。在介质折射率不变的前提下，但改变准直镜半径r和厚度h，光斑的面积和均匀性都会受到不同影响。
当准直镜的半径r=5.5 mm保持不变，厚度h增加，光斑面积S减小，均匀度90%范围内的面积也随之减小，光斑均匀性下降，但蓝绿光辐照度上升，如图 9所示。当厚度h增加至2.9 mm时，光斑面积、光均匀度和蓝绿光辐照度均达标。
图9
准直镜厚度对光斑效果的影响
(a)光斑面积；(b)光斑均匀性系数；(c)蓝绿光辐照度
Figure9. Influence of the thickness of the collimator on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient; (c) blue and green light irradiance
当准直镜厚度h固定在2.9 mm不变，半径r变化，光斑面积S随着半径r的增大而增大，均匀度90%范围内的面积也随之增大，均匀性系数增加，但蓝绿光辐照度下降，如图 10所示。而当半径r保持在5.5 mm时，光斑面积、均匀度和蓝绿光辐照度均可达标。
图10
准直镜半径对光斑效果的影响
(a)光斑面积；(b)光斑均匀性系数；(c)蓝绿光辐照度
Figure10. Influence of the radius of the collimator on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient; (c) blue and green light irradiance
当准直镜厚度h=2.9 mm，半径r=5.5 mm保持不变，改变准直镜和光源距离d。距离d越大，光斑面积S越小，均匀度减小，均匀度90%范围内的面积也随之减小，如图 11所示。光疗系统内准直镜应尽可能贴近光源。
图11
准直镜与光源之间的距离对光斑效果的影响
(a)光斑面积；(b)光斑均匀性系数；(c)蓝绿光辐照度
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 复眼透镜微透镜对光斑效果的影响
在照明系统中复眼透镜实现大面积均匀照明，在介质折射率不变的情况下，改变微透镜的半径和厚度，光斑会有不同的影响，变化规律和准直镜相似。当微透镜的半径尺寸是厚度的4倍并且复眼透镜间距保持在微透镜焦距附近时(数据略)，光斑的均匀性最好。
3.2.3 照明面和光源的距离对光斑的影响
照明面和光源距离越大，光斑面积越大，但是均匀性相对减小，考虑到实际治疗情况[12]，将聚焦透镜和照明平面的距离控制在400 mm左右较合适(数据略)。
3.2.4 准直镜安装误差容错性分析
在实际工程中，元件安装出现的错误不容忽视。以两组复眼透镜平行为零点。准直镜在X轴方向或Y轴方向出现(0±10)°的倾斜角时对光斑的面积S影响甚微，而均匀度随着倾角增大而下降，故均匀光斑的面积随着倾角的增大而减小(如图 12所示)。由于倾角变化使得光斑光能分布改变，所以在安装中要注意准直镜平行度的控制。
图12
准直镜倾角对光斑效果的影响
(a)光斑面积；(b)光斑均匀性系数
Figure12. Influence of collimating lens angle on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient
4 结论
本研究针对目前国内外黄疸光疗系统的诸多缺陷，根据理想光疗标准，提出一种LED蓝绿光混光光疗系统解决方案，设计并实现光斑面积S=250 mm×500 mm，蓝光辐照度E蓝光≥2 mW/cm2，绿光辐照度E绿光≥1.5 mW/cm2，光均匀度≥90％，使光疗系统具有更安全、更高效、更稳定、更人性化等优点。通过光学透镜设计，驱动显示系统的搭建，黄疸光疗系统可实现LED蓝绿光组合照射，同时光强线性可调可切换，在医学上研究小儿黄疸治疗方面有具有较高的应用价值和研究意义。
0 引言
据统计，全球大约75%的新生儿在出生后一周内会出现不同程度的黄疸症状。黄疸是血液中高未结合胆红素过量(高未结合胆红素＞221 mol/L)所造成的。高未结合胆红素通过新生儿血脑屏障进入其脑组织，容易损伤新生儿神经系统甚至危及生命，因此社会和家庭必须高度重视，早发现早治疗。利用波段在430~470 nm的半导体发光二极管(light emitting diode, LED)蓝光照射新生儿黄疸部位[1]，能高效促使胆红素氧化或异构并随着胆汁、尿液、体液排出体外，从而达到治疗目的[2]，因此患儿不再需要采用针灸换血等痛苦手术疗法。由Natus公司生产的NeoBlue光疗仪在美国市场具有较高的占有率，它通过引脚式LED光源阵列满足光疗对光照强度和光照面积的要求，但电路复杂、光亮度无法线性调节且人机交互困难；通用公司的BiliBlanket蓝光毯利用光导纤维使光源“零距离”接触婴儿，虽无光能量衰减，但价格昂贵，维护难度大；国产宁波戴维医疗器械有限公司和北京巨龙三优科技有限公司生产的黄疸光疗仪采用的是传统光源与LED蓝光相结合的模式，但是光均匀度低下同时热辐射可能灼伤婴儿娇嫩皮肤[3]。此外大剂量蓝光照射本身具有潜在的可导致患儿增加黑素痣数量、患皮肤癌、免疫系统功能失调以及视网膜受损等副作用。因此根据以上国内外光疗设备现状，本文提出一种基于复眼透镜实现均匀照明、LED蓝绿光线性可调的黄疸光疗系统。本研究采用AMC7150芯片构建恒流驱动模块，AT89C52单片机和LCD12864液晶显示屏构建人机交互模块，并与传统光疗系统相比，探讨其可靠性和实用性。
1 整体系统概况及原理
LED黄疸光疗系统主要分为以下四个模块：均匀照明模块、恒流驱动模块、人机交互模块和散热模块。通过搭配光疗箱和储物箱完成整机系统的构建，如图 1所示。
图1
光疗系统整机
Figure1.
Complete machine of the phototherapy system
1.1 基于蓝绿色LED和复眼透镜组成的均匀照明模块
影响光疗的因素有光辐射波长、光斑面积、光辐射度以及光均匀度[4]。胆红素分子对380~530 nm波段的紫、蓝、绿三色光吸收能力较强，对波长在459 nm的蓝光吸收效率最高。由于波长在500 nm的绿光导致患儿发热、腹泻、皮疹等副作用概率更小，且绿光对皮肤的穿透能力更强[5]，因此本文中光源采用LED蓝、绿光混光的形式来满足光疗辐照度的需求，从而达到有效治疗病情严重的黄疸患儿并克服传统光疗仪的诸多副作用及不稳定性等目的。根据黄疸患儿体征和理想光疗指征，我们提出设计光斑面积S=250 mm×500 mm，蓝光辐照度E蓝光≥2 mW/cm2，绿光辐照度E绿光≥1.5 mW/cm2，光均匀度≥90％。
本系统中采用双排复眼透镜实现光斑的高度均匀性。复眼透镜阵列是由参数完全相同的微透镜按照一定方式排列而成。照明系统中需要两块参数相同的复眼透镜阵列平行放置，整个光学系统所有透镜处于同一光轴。复眼透镜阵列F2小透镜的几何中心处在复眼透镜阵列F1的每个小透镜的焦距f处。在复眼透镜阵列F1光入射端前放置准直镜CL提供平行光，复眼透镜阵列F2后放置聚焦镜FL，聚焦镜将光线聚焦后射入照明平面P形成整个照明系统，如图 2所示。
图2
复眼透镜均匀照明系统
Figure2.
Fly eye lens system for uniform illumination
朗伯型LED点光源L发出的光经过准直透镜CL后，以平行光射出直接射向第一列复眼透镜F1。第一列复眼透镜N个小透镜将整支宽光束分裂成N支细光束来进行照明，每支细光束范围内的均匀性极大地优于整支宽光束范围内的均匀性。第二列复眼透镜F2对应位置的小透镜将第一列复眼透镜F1上射出的光通过聚焦镜FL重迭成像于照明平面P上，由于光学系统的对称性，每个细小范围内的光的不均匀性相互补偿，最终形成矩形光斑并且实现均匀照明[6]。
考虑到光学系统像差、透镜加工复杂程度及成本等因素，选择复眼透镜的个数不宜过多[7]。我们设计采用10列5行复眼透镜，参数设计如表 1所示，利用透明树脂通过三维打印技术实现复眼透镜的加工。
表1
复眼透镜阵列模拟参数表
Table1.
Simulation parameter table of the fly eye lens array
利用积分球测量LED芯片的光电参数，结果显示光疗系统需要10颗波长为459 nm的蓝色LED和15颗波长为500 nm的绿色LED，采用铝基板做散热灯板，表面组装技术(surface mount technology, SMT)回流焊封装大功率LED芯片[8]。
1.2 基于AMC7150芯片构建的恒流驱动模块
AMC7150是一种仅需5个外部零件的高功率LED驱动集成电路(intergrated circuit, IC)。AMC7150内建脉冲宽度调制信号(pulse width modulation，PWM)和功率晶体管，工作频率可达200 kHz。输入电压4~40 V，驱动电流0~1.5 A动态可调。同时内置过压保护，适合驱动一颗以上串联功率LED[9]，最高驱动功率可达24 W。这里我们设计的单个恒流驱动模块如图 3所示。根据积分球对LED蓝绿芯片光电测试，需三路驱动电路，蓝色一路，绿色两路，驱动电压分别为36、36、19 V。每路分别接上AMC7150，同时接受从IN4148输入的单片机产生的PWM使能信号的控制。输入电容C7用作于保持输入电压并滤除IC产生的开关噪声。R12为峰值电流感测电阻，决定通过LED的峰值电流，AMC7150引脚OSC上的接地电容C4用作设置开关频率，降压电感器在开关导通期间存储能量，在开关关断时则通过LED和续流二极管D28放电。为使变换器工作在连续导电模式时电感电流不降为0，电感器电感值应足够大。
图3
恒流驱动模块
Figure3.
Constant current driving module
1.3 基于AT89C52单片机和LCD12864液晶显示芯片构建的人机交互模块
显示调节控制模块基于低电压高性能CMOS8位AT89C52单片机和LCD12864液晶显示芯片。单片机在特定的I/O端口产生PWM使能信号[10]通过小信号高速开关二极管IN4148加至AMC7150引脚OSC。通过调节PWM占空因数，可以实现LED亮度的线性调节。液晶显示芯片LCD12864采用串口通信方式和单片机进行链接从而进行数据的传输和显示。AT89C52单片机同时连接DS1302时钟电路、DS18B20温控电路以及指示灯等，采用24 V直流电源给整个系统供电，保障系统正常工作，如图 4所示。
图4
人机交互模块
(a)AT89C52单片机；(b)LCD12864液晶显示芯片；(c)DS1302时钟电路；(d)DS18B20温控电路
Figure4. Man-machine interaction module(a) AT89C52 microcontrollers; (b) LCD12864 display chip; (c) DS1302 clock circuit; (d) DS18B20 thermal control circuit
2 散热模块
考虑到LED光疗系统在工作中产生的热量不及时排出，不仅会使芯片效率降低，还会折损LED芯片的寿命，此外多余的热量会对患儿造成生理上的不适，因此在本系统中需要增加散热装置。我们采用特殊形状“太阳花”型铝型材散热装置(见图 5)，大面积散热肋片通过与与空气接触，利用空气对流将热量散发到周围，效率高、成本低、噪音小。肋片直径120 mm，高度50 mm。光疗系统正常运行热功率约42 W，利用太阳花散热装置实测光源温度值为24°，舒适清凉，完全不会对皮肤造成影响。
图5
太阳花散热装置
Figure5.
Sun flower heat radiator
3 结果与分析
3.1 照明效果分析
我们采用光学仿真软件Tracepro对光线进行追迹模拟[11]，在400 mm工作距离处得到一个面积为250 mm×500 mm光斑，如图 6所示。
图6
均匀照明的光斑
Figure6.
Uniform illumination spot
选用北京泊菲莱科技有限公司I400光辐照计进行光密度检测，将有效光斑区域250 mm×500 mm分成5×10个50 mm×50 mm正方形测量子区域，测量目标为各子区域几何中心点，测量点间距为10 mm，设定照射距离为400 mm，测量光密度值换算成蓝绿光辐照度值，如图 7所示(红色代表LED蓝光辐射度，蓝色代表LED绿光辐射度)。有效照明平面内光谱辐射度总体趋势平稳，蓝绿光辐射度符合设计要求。
图7
蓝绿光辐照度
Figure7.
Blue and green light irradiance
根据国家光治疗设备安全专用要求中最新的关于胆红素总辐照度的均匀性规定[12]，均匀性系数为辐照度平均值与辐照度最大值之比。辐照度测量值如图 8所示，根据均匀度定义可得蓝绿光均匀度均＞90％，达到设计要求。
图8
辐照度测量值
Figure8.
Measured irradiance values
本系统和宁波戴维公司的XHZ-90黄疸治疗系统进行光热参数对比(如表 2所示)。分析表 2所得结果，可知本系统光均匀度更高、散热性能更好、辐照效率高、治疗面积更大、使用寿命更长、更安全，优于已有设备。
表2
光疗系统性能参数对比
Table2.
Comparison of phototherapy system performance parameters
3.2 透镜对光斑效果的影响
从准直镜的半径和厚度、准直镜与光源的距离、复眼透镜微透镜参数、照明面和光源的距离以及准直镜安装误差容错性这几个方面对照明效果的影响做了分析。
3.2.1 准直镜对照明效果的影响
在照明系统中，光源的发散光通过准直镜后，以平行光射入复眼透镜阵列。在介质折射率不变的前提下，但改变准直镜半径r和厚度h，光斑的面积和均匀性都会受到不同影响。
当准直镜的半径r=5.5 mm保持不变，厚度h增加，光斑面积S减小，均匀度90%范围内的面积也随之减小，光斑均匀性下降，但蓝绿光辐照度上升，如图 9所示。当厚度h增加至2.9 mm时，光斑面积、光均匀度和蓝绿光辐照度均达标。
图9
准直镜厚度对光斑效果的影响
(a)光斑面积；(b)光斑均匀性系数；(c)蓝绿光辐照度
Figure9. Influence of the thickness of the collimator on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient; (c) blue and green light irradiance
当准直镜厚度h固定在2.9 mm不变，半径r变化，光斑面积S随着半径r的增大而增大，均匀度90%范围内的面积也随之增大，均匀性系数增加，但蓝绿光辐照度下降，如图 10所示。而当半径r保持在5.5 mm时，光斑面积、均匀度和蓝绿光辐照度均可达标。
图10
准直镜半径对光斑效果的影响
(a)光斑面积；(b)光斑均匀性系数；(c)蓝绿光辐照度
Figure10. Influence of the radius of the collimator on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient; (c) blue and green light irradiance
当准直镜厚度h=2.9 mm，半径r=5.5 mm保持不变，改变准直镜和光源距离d。距离d越大，光斑面积S越小，均匀度减小，均匀度90%范围内的面积也随之减小，如图 11所示。光疗系统内准直镜应尽可能贴近光源。
图11
准直镜与光源之间的距离对光斑效果的影响
(a)光斑面积；(b)光斑均匀性系数；(c)蓝绿光辐照度
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 复眼透镜微透镜对光斑效果的影响
在照明系统中复眼透镜实现大面积均匀照明，在介质折射率不变的情况下，改变微透镜的半径和厚度，光斑会有不同的影响，变化规律和准直镜相似。当微透镜的半径尺寸是厚度的4倍并且复眼透镜间距保持在微透镜焦距附近时(数据略)，光斑的均匀性最好。
3.2.3 照明面和光源的距离对光斑的影响
照明面和光源距离越大，光斑面积越大，但是均匀性相对减小，考虑到实际治疗情况[12]，将聚焦透镜和照明平面的距离控制在400 mm左右较合适(数据略)。
3.2.4 准直镜安装误差容错性分析
在实际工程中，元件安装出现的错误不容忽视。以两组复眼透镜平行为零点。准直镜在X轴方向或Y轴方向出现(0±10)°的倾斜角时对光斑的面积S影响甚微，而均匀度随着倾角增大而下降，故均匀光斑的面积随着倾角的增大而减小(如图 12所示)。由于倾角变化使得光斑光能分布改变，所以在安装中要注意准直镜平行度的控制。
图12
准直镜倾角对光斑效果的影响
(a)光斑面积；(b)光斑均匀性系数
Figure12. Influence of collimating lens angle on spot(a) area of spot; (b) uniformity coefficient
4 结论
本研究针对目前国内外黄疸光疗系统的诸多缺陷，根据理想光疗标准，提出一种LED蓝绿光混光光疗系统解决方案，设计并实现光斑面积S=250 mm×500 mm，蓝光辐照度E蓝光≥2 mW/cm2，绿光辐照度E绿光≥1.5 mW/cm2，光均匀度≥90％，使光疗系统具有更安全、更高效、更稳定、更人性化等优点。通过光学透镜设计，驱动显示系统的搭建，黄疸光疗系统可实现LED蓝绿光组合照射，同时光强线性可调可切换，在医学上研究小儿黄疸治疗方面有具有较高的应用价值和研究意义。
