1.2 课题的研究方法与步骤

本论文中，首先用ProE、FloEFD、Zemax、TracePro等光线模拟软件和热模拟软件，完成大功率LED医用头灯的建模设计，取得本论文分析所需要的各类模拟数据，并对模型进行优化，以达到在40cm的位置形成直径不小于8cm的圆形光斑效果。其次，针对重量轻、散热效果好的设计要求，我们进行散热材料和模型的设计，采用轻质且散热效果好的材料，来达到我们的设计要求。

基于以上的研究方法，我们对本课题的研究主要按以下步骤进行：

第一步，调研过程。我们通过查阅大量关于医疗照明及医用头灯的中外资料、并查阅相关的技术专利，深入了解本课题的设计目标及要求，从光和热两方面考虑，构建整个论文的思路和框架。因此，论文主要有两方面的研究内容，分别为匀光系统的设计和散热模型及散热材料的选取。

第二步，利用ProE建模软件对医用头灯进行初步的整体设计建模，然后详细设计匀光系统和散热系统。

第三步，接着设计医用头灯的匀光透镜系统，并用Zemax和TracePro软件对其进行光线追击以及透镜优化，以达到在40cm的位置形成直径不小于8cm的圆形光斑效果。

第四步，用FloEFD热模拟软件对头灯模型进行热模拟实验，获得各部件的模拟温度数据，并在此基础上通过改变散热基座的材料和各部位参数进行优化，以达到最优散热效果。

最后，并反复优化匀光系统和散热的结构，并进行详细的光和散热模拟，不断接近设计目标和要求，把最好的结果总结成文。

1.3 课题的研究目的和意义

医用头灯具有携带方便、方向照明、亮度高的特点。它通常用于各种检查和手术过程中的辅助或定向照明，例如耳鼻喉科、普通外科、脑外科等。在对患者的检查或手术中起到了重要的辅助照明作用，尤其是在检查深层狭窄部位时，需要点光源和医生的视线在同一角度[2-3]。传统的头灯由白炽灯泡或卤素灯泡提供光源，具有重量大、结构复杂、易损坏、耗电量大、传输损耗大、寿命短、维护复杂等缺点[3]。目前，在LED照明技术的改进提高下，也有些使用大功率LED灯珠，干电池供电的医用头灯，但它会出现耗电量大、续航时间短、外观比较笨重、使用不便等问题[3-4]；此外，使用立灯作为电光源，额外附带反光镜进行反光，聚焦效果差，色温高，照度不够，影响医生的诊断结果[5-6]。

基于以上情况，我们设计了一款新型医用头灯，采用1W大功率LED灯珠作为为它的光源，以四片透镜作为匀光系统，头灯外观结构都采用塑料材质进行设计，导热器件也选择了合适的导热塑料，使得整个头灯重量减轻，佩戴轻松舒适，又不影响其散热效果。对头灯光学系统的进一步优化设计，增加光阑旋钮，不仅使医用头灯的聚光效果显著，而且能够达到深度清晰照明的要求，以及不同医疗条件下辅助照明的要求。

第二章 理论基础

2.1 非成像光学性能参数

医用头灯中，选取LED作为发光源。但一般光源为朗伯发光，其出光角为120度，不能够满足头灯定向照明，在一定范围内形成特定形状光斑的要求。因此，需要进行二次配光的设计，也就是需要对光源发出的光进行定向引导、均匀铺开的匀光设计。而整个医用头灯，LED是作为发光源，最终在被照面上形成光斑，属于非成像光学设计。医用头灯作为灯具，和台灯一样，是一个小型的照明系统。因此，我们有必要了解和熟悉非成像光学设计的一系列性能参数。

光辐射是指光因其波粒二象性的特点传播，并且可以在光学器件中发生折射、反射等。根据辐射波长和生理视觉效应，我们一般所说的白光LED属于光辐射中的可见光辐射，本课题中医用头灯就采用的是白光LED。