長庚大學校訊

LED 無影手術燈光學系統設計

光電所 張宗文助理教授

　　 近年來，人們對照明的要求早已不是夠不夠亮、看不看得見的問題，所以在設計上要兼顧生理、心理感受，以符合各個不同環境的需求。粗略的分類，現在的照明可分為室內與室外。室內照明如辨公室、工廠、學校、醫院、體育館和住宅等；室外照明主要是道路與交通的照明空間。為因應照明需求的不同，造就了不同照明光學設計的方式與型態。近年來 LED 的興起，在照明的發展上有了可替換的光源，它省電的特性，也大幅提升了它在照明領域的佔有率。

　　醫院照明的主要對象是患者，針對患者不同的病況，其照明的需求也就不同。例如手術室是醫生為病患動手術的地方，因此對照明的要求較高：高照度 ( illuminance )、高演色性 ( color rendering index ) 以及無影度 ( shadowless ) 都是手術燈基本要求的規格。

▲圖1：目前各醫院廣泛使用的鹵素無影手術燈

　　手術燈設計目標為利用高亮度 LED 光源，在距離一公尺的偵測面上達到 13-16 萬 lux 的照度，其偵測面的範圍為 30 × 30 平方公分。演色性在白光下大於 90，其色溫範圍要求在 3500-5000K 之間，由 LED 的驅動電路控制。

　　醫療所需的光源大致可分為照明、診斷、治療三大用途，依不同用途各有相關規範。手術燈主要是參照 IEC60601-2-41 設計規範，其中提及手術燈所需要的光源，演色性須大於 85 且為冷光。LED 本身就屬冷光源，其光源壽命及效率，都比以往手術燈所使用的鹵素燈 ( 圖 1 ) 優異並減少紫外線-紅外線 ( UV-IR ) 濾片的使用。此外，LED 單體封裝的出光角度，可由光學設計取得小角度的出光，如此一來，便減輕光學系統設計的難易度，同時提升照明系統的光使用效率。

　　本實驗主要是利用 FRED 光學模擬軟體，作模擬手術燈的分析量測，包含光場分析、無影度分析、照傷深度分析及縱深分析，以達到規範上對無影手術燈的要求。最初的透鏡設計、排列方式 ( 圖 3、4 )，一直到各種規範的測試，皆在模擬軟體上操作。

▲圖3：模擬排列透鏡位置	▲圖4：模擬畫出無影手術單葉樣式

▲圖5：實際做出無影手術燈單葉原型機	▲圖6：點亮的 LED 無影手術燈單葉原型機

　　實際出產無影手術燈成品 ( 如圖 5、6 )，再經由財團法人台灣電子檢驗中心 ( ETC ) 量測後所得到的數據，皆與模擬過程中的數據吻合 ( 如圖 2 )，並能達到手術燈規範的要求，證實了光學模擬的必要性。