高光通量 LED 在野战外科照明系统中的应用 熊陆平1，郭 良2，马 飞1，王玉平1 (1.总后卫生部 药品仪器检验所，北京 100071;2.成都军区联勤部 药品仪器检验所，成都 610015) [摘要] 介绍了大功率高光通量 LED 的发展、现状以及野战外科照明的需求，阐述了高光通量 LED 应用于野战外科照明的可行性，并分别从器件、驱动电路、光学系统和机械系统讨论了实现期望的方案。 [关键词] 高光通量 LED;野战外科照明;绿色节能 [中图分类号] TH777 [文献标志码] B [文章编号] 1003-8868(2009)07-0102-02 1 野战外科照明的需求 随着高新技术武器在战争中的应用， 伤员伤类更趋复杂，伤情更趋严重，对战伤救治时效性的要求亦越来越高。伤员尽早获得确定性治疗，是降低伤后伤残率的有效手段。 据报道，从受伤到手术 1 h 内，每缩短 1 min，战伤的死亡率降低 2.7%，手术时的死亡率降低 1.2%。 由此可见，提高战伤救治的时效性，对降低死亡率、提高治愈率有重要意义。 野战外科手术是战伤分级救治的关键环节，高效、实用的专用外科手术装备是保证野战外科手术得以有效展开的重要技术前提，同时，也对专用外科手术装备，包括野战外科照明系统提出了更严格的要求：野战条件下，必须同时满足便于携行、方便展开与撤收、保证照明时间及效果等多项技术指标。 2 LED 的发展史和应用潜力 半导体发光器件(light emitting diode，LED)从诞生至今以每 10 a 亮度提高 30 倍、价格下降 10 倍的“Haitz”定律快速发展。普通高亮度白光 LED， 目前在实验室里已经达到100 lm/W 的水平，50 lm/W 的大功率白光 LED 也已进入商业化。 在单色光方面，红光、黄光、蓝光、绿光的光效也不断刷新记录，LED 作为新型光源应用范围越来越广， 也逐渐引起了更多人的关注和期望。目前 LED 应用呈多元化分布在各个行业，包括指示、显示、背光、照明等。照明则是 LED 诸多应用中最有潜力的行业， 随着 LED 光效不断提高和成本不断降低，在整个照明领域占有的市场份额也会日益扩大。继美国的“下一代照明计划”、日本的“21 世纪照明计划”、欧盟的“彩虹计划”和韩国的“固态照明计划”后，2003 年我国成立国家半导体照明工程小组，旨在整合资源、快速推进 LED 进入照明市场。中国工程院陈良惠院士预测，我国在 2005-2015 年间，半导体照明可累计节约电能 4 000 亿 kWh， 为用户节约 2600 亿元的电费支出，创造 1 500 亿元产值，解决 100 万人口的就业。 届时，半导体照明每年节约的电能将超过“巨无霸”———三峡电站的全年发电量! 在能源日益短缺的背景下 ，利用 LED 的节能特点， 发展 LED 照明也是对政府提出的建设节约型社会的积极响应[1]。 3 绿色光源 与其他光源比较，大功率 LED 被称为“绿色光源”当之无愧。 在照明行业中，将其与传统光源比较分析， LED 作为光源用于照明具有以下优点： (1)高节能：1 只 10～12 W 的 LED 光源发出的光能与一只 35～150 W 的白炽灯发出的光能相当。 照明效果 LED 比传统光源节能 80%～90%。 (2)长寿命 ：LED 利用固态半导体芯片将电能转化为光能，外加环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击，LED 单管寿命约 100 kh，光源寿命在 20 kh 以上，按每天工作 12 h，寿命在 5 a 以上，维护费用低。 (3)高安全性 ：LED 光源使用低电压驱动 ， 发光稳定 ，无污染，没有 50 Hz 频闪，没有紫外线 B 波段，表色 / 颜体 Ra 值接近 100，色温 5 000 K，最接近太阳色温 5 500 K。 (4)外形尺寸灵活：容易实现与装备的有机融合。 (5)环保：无有害金属汞，无红外和紫外线辐射。 (6)快速响应：LED 发光响应时间短，能按要求保证多个光源之间或一个光源不同区域之间的工作切换。 采用专用电源给 LED 光源供电时，达到最大照度的时间小于 10 ms。 (7) 运行成本低： 其他光源不仅耗电是 LED 光源的 2~10倍，而且几乎每月都要维修保养，耗费维修工程师许多时间，投入使用的光源越多，在器件更换和人工方面的花费就越大。初次投资所节省的经费很快会被日常的维护、维修费用抵消。因此，选用使用寿命长的 LED 光源从长远看是经济的[2](见表 1)。 
4 高光通量 LED 应用于野战外科照明系统的可行性 LED 集各种光源优点于一身 ，因此，推广使用 LED 是一项很有价值的工作。但是 LED 与其他光源比较也有不足的方面，其价格较高、一次性投入较大，在技术和普及应用上还有待进一步完善。 (1)驱动电路。 虽然大功率 LED 现在还不能大规模取代传统的白炽灯，但是特殊环境照明方面，尤其是野战外科照明上有着比较独特的优势，大功率 LED 恒流驱动器的设计技术，对于开拓大功率 LED 的应用至关重要。 LED 按照功率和发光亮度可以划分为大功率 LED、高亮度 LED 及普通 LED。一般来说，大功率 LED 的功率至少在 1 W 以上，目前比较常见的有 1、3、5、8、10 W。已大批量应用的有 1 W 和 3 W LED，基于野战外科照明色温和照度的要求， 使用 5~8 W LED 完全可以满足。恒流驱动和提高 LED 的光学效率是 LED 应用设计的关键，以美国国家半导体(NS)产品为例，重点讨论如何巧妙应用 LED 恒流驱动电路的采样电阻提高大功率 LED 的效率，并提示了大功率 LED 驱动器设计与散热设计的注意事项。LED 驱动只占 LED 照明系统成本的很小部分 ， 但它关系到整个系统性能的可靠性。目前，美国国家半导体公司的LED 驱动方案主要定位在中高端 LED 照明和灯饰等市场。灯饰分为室内和室外两种，由于室内 LED 所应用的电源环境有 AC/DC 和 DC/DC 转换器两种方式， 所以驱动芯片的选择也应从这两方面考虑[3](见图 1)。 美国国家半导体公司的产品 LM2734 的主要优势是体积小、可靠性高、输出电流高达 1 A，适合野战手术灯灯口直径比较小的特点(见图 2)。 (2)变焦系统 。 手术中常常会根据手术需要调整照明区域的大小，光学变焦系统可以容易地实现这一功能。在保证多点照明光束投照效果的前提下， 光学系统的结构应该尽可能简单。由于 LED 发出的可见光基本不含红外成分，本身发热亦较少，这就为光学树脂模压非球面透镜的应用创造了有利条件， 避免了光学树脂模压透镜耐高温性能不理想的问题。 充分利用非球面透镜的良好光学特性，极大简化了投照光学系统的结构，可以将原本比较复杂的变焦(改变投照区域大小)光组，由玻璃镜组的 2~4 片/组简化为单透镜而成本却不会增加。 应该注意的是，LED 灯组发出的光束，必须经过柔光处理， 否则将无法解决小发散角光束引起的眩光问题。 (3)聚焦系统。 无影照明的核心是通过多路投照达到局部无影的效果。多光束投照的另外一个要点是光束会聚问题， 必须解决多只 LED 灯组发出的投照光束，在不同投照距离(工作距离)时，可同步、精确会聚在手术照野中心。 采用中心控制机械拉杆装置，使多只LED 灯组同步产生向心摆动， 改变每只灯组相对于手术照野轴线的夹角， 可以实现在不同的投照距离上， 多束光束均可会聚于手术照野的中心位置的目的。 [参考文献] [1] 廖志凌，阮新波. 半导体照明工程的现状与发展趋势[J]. 电工技术学报，2006，21(9)：106-111. [2] 张万生，布良基. 功率型发光二极管的研究与应用进展[J]. 物理学和高新技术，2003，32(5)93-99. [3] 青木昌治. 发光二极管日本[M]. 黄振岗 ，译. 北京 ：人民邮电出版社，1981：148-162.
