基于大功率LED的弱视治疗仪光源系统

　　0　引　言

　　弱视本质上可看成是一种视力“萎缩”或视细胞“睡觉”,弱视治疗仪的基本原理是用色光唤醒“睡觉”的视椎细胞或视中枢细胞而间接增视,用图标锻炼“萎缩”的视力而直接增视[1]。典型的弱视治疗仪光源需要满足照度均匀、强度和颜色可调等要求。传统弱视治疗仪的光源系统一般由白炽灯、透镜、磨砂玻璃和滤色片组成。白炽灯发出的发散光,经透镜准直变为平行光,通过磨砂玻璃后发生散射,使光的照度均匀,即得到所需的白光光源,再通过更换滤色片来产生不同颜色的光。这种光源方案存在电效率低、寿命短、操作复杂等缺点,此外白光通过滤色片后光强损失严重,白炽灯光谱中包含紫外波长和红外波长,会对人体特别是眼睛造成损害。

　　随着半导体工艺的快速发展,大功率发光二极管(lightemitting diode,LED)无论是在发光强度、峰值波长、半波带宽等各项参数性能上都有很大的提高。而且LED的发光角度小,方向性强,恰恰适合弱视治疗仪需要局部重点照明的场合,有效地提高了光能的利用率。对白光LED而言,光谱几乎全部集中于可见光波段[2],避免了非可见光区电磁波对人眼的损害。

　　针对传统弱视治疗仪光源系统存在的上述问题,并结合大功率LED应用于弱视治疗的优势,本文提出了一种弱视治疗仪的新型光源系统。

　　1　新型LED光源系统

　　医学研究表明:人眼对黄、绿光敏感度最高,视网膜上的黄斑椎细胞有感受红、绿、蓝三原色的功能,而周边杆细胞没有这种功能[1]。为此开发了基于红、黄、绿、蓝、白等5种颜色大功率LED的新型光源系统,如图1所示,主要由步进电机、光源板、反光碗、平凸透镜和磨砂玻璃组成。

　　5种颜色的LED沿同一圆周间隔45°分布在圆形光源板的半个圆面上,如图2所示。光源板的白色LED正上方设有通光槽,与光电管配合使用来实现光源板的初始定位。光源板固定在步进电机的连轴器上,系统启动时,步进电机带动光源板旋转,通光槽和光电管配合实现光源板的初始定位,即将白色LED定位在光学系统的光轴上。通过程序控制步进电机转过相应的角度可实现颜色切换。

　　2　光学设计

　　通常认为LED是近似的朗伯光源,其光强大致呈余弦分布[3],即:

　　这样的光场分布,如果不使用适当光学系统处理而直接应用,难以满足弱视治疗仪光源对亮度均匀性的要求,而且大量无效光的存在大大地降低了光能的利用率。为实现光源传递能量的最大化,并在视场范围内得到均匀的照度分布,需要运用非成像光学的理论设计LED的均匀照明光学系统,即通过附加光学器件来收集LED发出的光能,重新分配光源光通量在空间的分布[4-5]。