摘要：本文主要设计一款轻型的LED医用头灯，运用软件建立医用头灯模型，在光学以及热学方面分别进行优化，来满足匀光和减轻重量的设计要求。在光学方面，运用光学模拟软件，设计并优化了由四片透镜组成医用头灯的匀光系统，挑选了合适本文设计的医用头灯的LED光源，得到40cm处、大于8cm直径的均匀圆形光斑；在热学方面，运用热模拟软件，设计出医用头灯的散热系统，并且选择合适的导热塑料以及部件尺寸进行优化，在减轻重量的同时达到最优的散热效果。

关键词：LED医用头灯；匀光系统；圆形光板；散热技术；导热塑料

Optics and Thermal Design of Medical Headlamps

Abstract: The medical headlamps are of the features such as portability，directional lighting，and high brightness, especially for local lighting during medical procedures．In this paper, a new light-homogenized system of four lens was designed and developed for portable LED medical headlight. Using the Radiant SIG-400 measured the light spot of proofing samples for portable LED medical headlight. The experimental result received a diameter of 8cm round spot at a distance of 40cm, and the illumination was proved to meet the operations head and neck surgery. At the same time, a thermal simulation method was used to design the thermal dissipation system for the medical headlamps, and the appropriate heat-conducting plastic and the dimensions of the components were selected for optimization to achieve optimal thermal dissipation while reducing the weight. The new medical headlights are very suitable for most of the medical and field medical.

Key words: LED medical headlight; Light-homogenized system; Round spot; Thermal Technology; Thermal plastic

目录

第一章 绪论 1

1.1 论文背景 2

1.2 课题的研究方法与步骤 2

1.3 课题的研究目的和意义 3

第二章 理论基础 10

2.1 非成像光学性能参数 4

2.2 光学PW法 7

2.3 传热学 7

2.3.1 热传导 8

2.3.2 热对流 8

2.3.3 热辐射 8

2.3.4 LED热阻 8

2.3.5 LED中的散热问题 9

第三章 医用头灯设计 10

3.1 医用头灯的模型设计 10

3.2 匀光系统的设计 11

3.2.1 匀光系统模拟 11

3.2.2 样品光学性能测试 13

3.3 散热系统的设计 15

3.3.1 WH-278导热塑料 15

3.3.1 散热底座的热模拟 15

3.3.3 样品热测试 20

第四章 结论 22

参考文献 23

致   谢 24

第一章 绪论

世界第一个LED诞生于20世纪60年代，自那时起，LED逐渐替代了传统照明，成为一种新型照明技术。其具有节能环保、寿命长、颜色多样等优点，被誉为人类照明的第三次[1]。尤其是，当全世界范围内给出停止生产白炽灯的时间节点，比如，欧盟在2012年正式宣布了关于禁用传统灯泡的规定，2014年美国也不再使用白炽灯，中华人民共和国也在2016年10月1日宣布全面停止生产白炽灯，白炽灯即将会成为照明行业的历史。在这样一个大的行业发展背景下，全球的LED将迎来近万亿市场，使得人类的照明迈向了LED新时代。在显示方面，LED相关产品也已经走入人们的日常生活中，比如，LED背光源电视、OLED显示器、手机屏的背光源等等，LED与人们的生活息息相关。

“LED”技术作为新世纪蓬勃发展的新技术，已广泛地应用于国内外各个相关领域。一方面，LED照明灯具相对于传统照明灯具更具有节能环保、稳定高效及使用寿命长等优点，已然是全世界所公认的最新固态冷光源。另一方面，由于LED光源体积小、重量轻、易于集成等优点，从满足一般需求的普通照明到满足特定要求的特殊照明，从室外大场景的照明到室内各家各户的小场景照明，LED的应用领域从大到小，在各个行业和各种场合已得到广泛地应用。而我们关注的医疗行业的照明，就是LED照明应用的行业之一。比如，整个特殊医疗洁净间的洁净照明、手术无影灯、用于定向照明的医用头灯和手持式医疗探头照明等，LED照明已经深入到医疗行业照明的各个层面。