TWI512337B - 照明單元以及體內照明系統 - Google Patents

Description

照明單元以及體內照明系統

本發明是有關於一種光學單元及光學系統，且特別是有關於一種照明單元以及體內照明系統。

在執行開腔手術時，通常會以安全環型開腹撐開器(Alexis Wound Retractor)固定開刀口，以利醫生深入人體內部進行手術。在手術的過程中，通常會利用無影燈(astral lamp)等體外光源照射開刀區域。然而，體外光源的照射範圍有限。針對體內一些死角，通常需使用體內光源作為輔助照明。目前主要使用的體內光源為內視鏡的光源。惟內視鏡的光源的照射範圍較狹窄，其僅能照亮內視鏡前方的範圍，以致其四周仍是暗的。因此，當手術範圍較大或較深層時，醫生只能擴大開刀口來提升開刀區域的照明，以避免因光線不足而影響手術的進行。

有鑑於上述，如何提供一種照明單元，其不傷害人體且適於固定在手術中的常見元件上以於手術時提供充足的照明，實為目前研發人員亟欲解決的問題之一。

本發明提供一種照明單元，其不傷害人體且適於固定在手術中的常見元件上以於手術時提供充足的照明。

本發明提供一種體內照明系統，其能夠於手術時提供充足的照明。

本發明的一種照明單元包括二次光學元件以及發光元件。二次光學元件包括菲涅爾透鏡部以及環繞菲涅爾透鏡部的全反射透鏡部。發光元件朝二次光學元件發出光束，其中光束在進入及射出菲涅爾透鏡部時分別被折射一次。光束在進入及射出全反射透鏡部時分別被折射一次且在全反射透鏡部內被全反射一次。

在本發明的一實施例中，上述的菲涅爾透鏡部與全反射透鏡部共用中心軸，且發光元件位於中心軸上並鄰近菲涅爾透鏡部的焦點設置。

在本發明的一實施例中，上述入射菲涅爾透鏡部的光束與發光元件的光軸所夾的角度落在0度至60度的範圍內，且入射全反射透鏡部的光束與發光元件的光軸所夾的角度落在61度至90度的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述的二次光學元件具有出光面。菲涅爾透鏡部具有多個第一入光面。各第一入光面位於出光面與發光元件之間且相對出光面傾斜。第一入光面與平行於出光面的參考平面所夾的角度朝遠離菲涅爾透鏡部的中心的方向增 加。

在本發明的一實施例中，上述最遠離菲涅爾透鏡部的中心的第一入光面連接於全反射透鏡部。

在本發明的一實施例中，上述的菲涅爾透鏡部更具有多個連接面，各連接面連接於相鄰兩個第一入光面之間，且各連接面與發光元件的光軸所夾的角度落在0度至3度的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述的全反射透鏡部包括多個第二入光面以及多個全反射面。第二入光面與全反射面交替地沿遠離菲涅爾透鏡部的中心的方向排列。光束自第二入光面進入全反射透鏡部後，在全反射面被內部全反射至出光面，且自出光面出射。

在本發明的一實施例中，上述最靠近菲涅爾透鏡部的中心的第二入光面連接於最遠離菲涅爾透鏡部的中心的第一入光面。

在本發明的一實施例中，上述的第一入光面的數量為6，且第二入光面的數量為4。

在本發明的一實施例中，上述的各全反射面為曲面。

在本發明的一實施例中，上述的各第二入光面與發光元件的光軸所夾的角度落在0度至3度的範圍內。

本發明的一種體內照明系統包括安全環型開腹撐開器以及多個設置在安全環型開腹撐開器上的照明單元。各照明單元包括二次光學元件以及發光元件。二次光學元件包括菲涅爾透鏡部 以及環繞菲涅爾透鏡部的全反射透鏡部。發光元件朝二次光學元件發出光束，其中光束在進入及射出菲涅爾透鏡部時分別被折射一次。光束在進入及射出全反射透鏡部時分別被折射一次且在全反射透鏡部內被全反射一次。

基於上述，本發明上述實施例的照明單元利用二次光學元件的設計匯聚發光元件所發出的光束，以提升照明單元的發光效率。由於二次光學元件可利用菲涅爾透鏡部以及全反射透鏡部實現薄形化，且菲涅爾透鏡部以及全反射透鏡部的鋸齒狀面皆朝向發光元件，因此照明單元可不傷害人體且適於固定在手術中的常見元件(如安全環型開腹撐開器)上，以於手術時提供充足的照明。並且，由於照明單元具有高的發光效率，因此體內照明系統能夠在所需的照度下，降低使用照明單元的數量，從而能降低體內照明系統中因發光元件所產生的熱量與溫度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10‧‧‧體內照明系統

12‧‧‧安全環型開腹撐開器

12a‧‧‧第一支撐部

12b‧‧‧連接部

12c‧‧‧第二支撐部

14、100‧‧‧照明單元

14a、120‧‧‧發光元件

14b、110‧‧‧二次光學元件

112‧‧‧菲涅爾透鏡部

114‧‧‧全反射透鏡部

A、B‧‧‧區域

C‧‧‧連接面

E‧‧‧出光面

F‧‧‧焦點

FPC‧‧‧軟性電路板

I11、I12、I13、I14、I15、I16‧‧‧第一入光面

I21、I22、I23、I24‧‧‧第二入光面

L‧‧‧光束

LT‧‧‧卡榫

O‧‧‧中心軸

R‧‧‧參考平面

T‧‧‧全反射面

W‧‧‧寬度

θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ112、θ114、θC、θI2‧‧‧角度

A-A’、B-B’‧‧‧剖線

圖1A是依照本發明的一實施例的一種照明單元的仰視示意圖。

圖1B是圖1A中的剖線A-A’的剖面示意圖。

圖1C及圖1D分別是圖1B中區域A及區域B的放大示意圖。

圖2是習知發照明單元用以評價發光效率的照度分布圖。

圖3是本發明的一實施例的照明單元用以評價發光效率的照度分布圖。

圖4是依照本發明的一實施例的一種體內照明系統的示意圖。

圖5A是圖4的體內照明系統的局部上視示意圖。

圖5B是圖5A中的剖線B-B’的剖面示意圖。

圖1A是依照本發明的一實施例的一種照明單元的仰視示意圖。圖1B是圖1A中的剖線A-A’的剖面示意圖。圖1C及圖1D分別是圖1B中區域A及區域B的放大示意圖。請參照圖1A至圖1D，照明單元100包括一二次光學元件110以及一發光元件120。二次光學元件110包括一菲涅爾透鏡部112以及一環繞菲涅爾透鏡部112的全反射透鏡部114。在本實施例中，菲涅爾透鏡部112與全反射透鏡部114彼此連接且例如是一體成型。此外，菲涅爾透鏡部112與全反射透鏡部114共用一中心軸O，其中發光元件120位於中心軸O上並鄰近菲涅爾透鏡部112的焦點F設置，且發光元件120適於朝二次光學元件110發出光束L。

二次光學元件110具有一出光面E，出光面E例如為一平面，且二次光學元件110中與出光面E相對的表面例如為一鋸齒狀面。詳言之，菲涅爾透鏡部112具有多個第一入光面(即菲涅 爾透鏡部112中的粗線所表示的第一入光面I11、I12、I13、I14、I15、I16)，其中最遠離菲涅爾透鏡部112的中心的第一入光面I16連接於全反射透鏡部114。

各第一入光面I11、I12、I13、I14、I15、I16位於出光面E與發光元件120之間且相對出光面E傾斜，其中光束L自空氣介質通過第一入光面I11、I12、I13、I14、I15、I16而進入菲涅爾透鏡部112時發生一次折射，且自出光面E出射至空氣介質時發生另一次折射。換言之，光束L在進入及射出菲涅爾透鏡部112時分別被折射一次。

藉由控制第一入光面I11、I12、I13、I14、I15、I16與平行於出光面E的一參考平面R所夾的角度θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6，將能夠調變自菲涅爾透鏡部112輸出之光形分布。在本實施例中，第一入光面I11、I12、I13、I14、I15、I16與平行於出光面E的一參考平面R所夾的角度θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6朝遠離菲涅爾透鏡部112的中心的方向增加。舉例而言，角度θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6例如分別為30度、34.3度、37.41度、39.8度、40.5度以及41.24度，但本發明不限於此。

此外，入射菲涅爾透鏡部112的光束L與發光元件120的光軸(即中心軸O)所夾的角度θ112落在0度至60度的範圍內。舉例而言，入射第一入光面I11、I12、I13、I14、I15、I16的光束L與發光元件120的光軸所夾的角度θ112例如分別落在0度至18度的範圍內、18.1度至32.6度的範圍內、32.7度至42.5度的範圍 內、42.6度至49.2度的範圍內、49.3度至55.4度的範圍內以及55.5度至60度的範圍內。然而，本發明不限於上述。依據第一入光面的數量多寡、第一入光面的傾斜程度、所需的光形分布等的不同，入射第一入光面(指第一入光面I11、I12、I13、I14、I15、I16任一者)的光束L與發光元件120的光軸所夾的角度θ112亦有所不同。

此外，菲涅爾透鏡部112更具有多個連接面C(菲涅爾透鏡部112中以細線表示之)，各連接面C連接於相鄰兩個第一入光面(指第一入光面I11、I12、I13、I14、I15、I16)之間。考量到菲涅爾透鏡部112整體的機械強度，各連接面C與發光元件120的光軸所夾的角度θC例如落在0度至3度的範圍內(請參見圖1C)。此外，為降低角度θC對於發光效率的影響，各連接面C與發光元件120的光軸所夾的角度θC較佳是落在0度至1度的範圍內。

全反射透鏡部114包括多個第二入光面(即全反射透鏡部114中的粗線所表示的第二入光面I21、I22、I23、I24，其中最靠近菲涅爾透鏡部112的中心的第二入光面I21連接於最遠離菲涅爾透鏡部112的中心的第一入光面I16)以及多個全反射面T(全反射透鏡部114中以細線表示之)，其中第二入光面的數量相同於全反射面T的數量，且第二入光面I21、I22、I23、I24與全反射面T交替地沿遠離菲涅爾透鏡部112的中心的方向排列。

光束L自空氣介質通過第二入光面I21、I22、I23、I24而進入全反射透鏡部114時發生一次折射，進入全反射透鏡部114 的光束L在全反射面T被內部全反射至出光面E，且自出光面E出射至空氣介質時發生另一次折射。換言之，光束L在進入及射出全反射透鏡部114時分別被折射一次且在全反射透鏡部114內被全反射一次。

在本實施例中，入射全反射透鏡部114的光束L與發光元件120的光軸所夾的角度θ114落在61度至90度的範圍內。換言之，全反射透鏡部114用以匯聚自發光元件120所出射之大角度的光束L。為具有良好之聚光效果，各全反射面T例如為曲面，其中曲面的曲率半徑可端視不同設計需求而定。此外，考量到全反射透鏡部114整體的機械強度，各第二入光面I21、I22、I23、I24與發光元件120的光軸所夾的角度θI2例如落在0度至3度的範圍內(圖1D僅示意性地繪示出第二入光面I22與發光元件120的光軸所夾的角度θI2)。

另外，為獲取較佳的發光效率以及縮減二次光學元件110的尺寸及厚度，本實施例的第一入光面的數量為6，且各第一入光面維持等間距，而第二入光面以及全反射面T的數量分別為4。在上述架構下，菲涅爾透鏡部112的半徑例如為3.46mm，而二次光學元件110的半徑及厚度例如分別為14.15mm以及5.4mm，但本發明不限於此。此領域具有通常知識者可依據不同的設計需求(如二次光學元件110的尺寸、所需之光形分布等)而優化第一入光面的數量、各第一入光面的間距、第二入光面以及全反射面T的數量等設計參數。

圖2是習知發照明單元用以評價發光效率的照度分布圖。圖3是本發明的一實施例的照明單元用以評價發光效率的照度分布圖。進一步而言，圖2是在發光元件未設置二次光學元件下所測得的照度分布圖，而圖3是圖1B中的照明單元100的照度分布圖。由圖2及圖3可知，在未設置二次光學元件下，習知照明單元(發光元件)的光形較為發散且發光效率低，而在設置二次光學元件下，二次光學元件能夠有效地匯聚大角度出射之光束，使自照明單元出射的光束更為集中，並使照明單元的發光效率有效地提升。

圖4是依照本發明的一實施例的一種體內照明系統的示意圖。圖5A是圖4的體內照明系統的局部上視示意圖。圖5B是圖5A中的剖線B-B’的剖面示意圖。請參照圖4、圖5A及圖5B，體內照明系統10包括一安全環型開腹撐開器12以及多個設置在安全環型開腹撐開器12上的照明單元14，其中照明單元14例如採用圖1A至圖1D中的照明單元100。

安全環型開腹撐開器12例如包括一第一支撐部12a、一連接部12b以及一第二支撐部12c，其中連接部12b連接於第一支撐部12a與第二支撐部12c之間。在進行手術時，第一支撐部12a與第二支撐部12c彼此相對且彼此分離，且第一支撐部12a較第二支撐部12c更鄰近開刀口。

照明單元14設置在第一支撐部12a上，以對體內進行照明。詳言之，各照明單元14例如可先分散設置在一軟性電路板FPC 上，其中各照明單元14的發光元件14a例如是焊接在軟性電路板FPC上，而各照明單元14的二次光學元件14b例如可透過與其連接的至少一卡榫(Latch)LT而固定在軟性電路板FPC上。接著，再將軟性電路板FPC封裝於第一支撐部12a上。如此，則初步完成體內照明系統10的製作。在另一實施例中，二次光學元件14b也可透過一黏著層(未繪示)而固定於第一支撐部12a上。所述黏著層的型態不限於層狀，其亦可以是膠狀、塊狀等。

為使體內照明系統10適於設置在人體內部，上述用於封裝軟性電路板FPC的材質、二次光學元件14b的材質較佳是採用生醫可用的材質，且這材質較佳是有彈性、不易形變以及能承受發光元件14a所產生的溫度。舉例而言，二次光學元件14b的材質例如是聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)或矽膠等。此外，為使照明單元14能夠設置在第一支撐部12a上。發光元件14a的尺寸以及軟性電路板FPC的寬度W皆須與第一支撐部12a相搭配。舉例而言，發光元件14a的尺寸例如是小於4mm，而軟性電路板FPC的寬度W例如是等於4mm。

由於體內照明系統10需要放置在體內以進行照明，因此需考量體內照明系統10是否會對人體產生傷害。在本實施例中，由於二次光學元件14b可利用前述之菲涅爾透鏡部112(參見圖1B)以及全反射透鏡部114(參見圖1B)實現薄形化，且二次光學元件14b的鋸齒狀面皆朝向發光元件14a，因此照明單元14適於固定在安全環型開腹撐開器12上，且可避免因體積過大或邊緣尖角而 傷害人體。此外，由於照明單元14具有高的發光效率，因此體內照明系統10能夠在所需的照度下，降低使用照明單元14的數量，從而能降低體內照明系統10中因發光元件14a所產生的熱量與溫度。

綜上所述，本發明的照明單元利用二次光學元件的設計匯聚發光元件所發出的光束，以提升照明單元的發光效率。由於二次光學元件可利用菲涅爾透鏡部以及全反射透鏡部實現薄形化，且菲涅爾透鏡部以及全反射透鏡部的鋸齒狀面皆朝向發光元件，因此照明單元可不傷害人體且適於固定在手術中的常見元件(如安全環型開腹撐開器)上，以於手術時提供充足的照明。並且，由於照明單元具有高的發光效率，因此體內照明系統能夠在所需的照度下，降低使用照明單元的數量，從而能降低體內照明系統中因發光元件所產生的熱量與溫度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧照明單元

110‧‧‧二次光學元件

112‧‧‧菲涅爾透鏡部

114‧‧‧全反射透鏡部

120‧‧‧發光元件

A、B‧‧‧區域

C‧‧‧連接面

E‧‧‧出光面

F‧‧‧焦點

I11、I12、I13、I14、I15、I16‧‧‧第一入光面

I21、I22、I23、I24‧‧‧第二入光面

L‧‧‧光束

O‧‧‧中心軸

R‧‧‧參考平面

T‧‧‧全反射面

θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ112、θ114‧‧‧角度

Claims (11)

1. 一種照明單元，包括：一二次光學元件，包括一菲涅爾透鏡部以及一環繞該菲涅爾透鏡部的全反射透鏡部；以及一發光元件，朝該二次光學元件發出一光束，其中該光束在進入及射出該菲涅爾透鏡部時分別被折射一次，該光束在進入及射出該全反射透鏡部時分別被折射一次且在該全反射透鏡部內被全反射一次，其中入射該菲涅爾透鏡部的該光束與該發光元件的光軸所夾的角度落在0度至60度的範圍內，且入射該全反射透鏡部的該光束與該發光元件的光軸所夾的角度落在61度至90度的範圍內。
2. 如申請專利範圍第1項所述的照明單元，其中該菲涅爾透鏡部與該全反射透鏡部共用一中心軸，且該發光元件位於該中心軸上並鄰近該菲涅爾透鏡部的焦點設置。
3. 如申請專利範圍第1項所述的照明單元，其中該二次光學元件具有一出光面，該菲涅爾透鏡部具有多個第一入光面，各該第一入光面位於該出光面與該發光元件之間且相對該出光面傾斜，該些第一入光面與平行於該出光面的一參考平面所夾的角度朝遠離該菲涅爾透鏡部的中心的方向增加。
4. 如申請專利範圍第3項所述的照明單元，其中最遠離該菲涅爾透鏡部的中心的該第一入光面連接於該全反射透鏡部。
5. 如申請專利範圍第3項所述的照明單元，其中該菲涅爾透 鏡部更具有多個連接面，各該連接面連接於相鄰兩個第一入光面之間，且各該連接面與該發光元件的光軸所夾的角度落在0度至3度的範圍內。
6. 如申請專利範圍第3項所述的照明單元，其中該全反射透鏡部包括多個第二入光面以及多個全反射面，該些第二入光面與該些全反射面交替地沿遠離該菲涅爾透鏡部的中心的方向排列，該光束自該第二入光面進入該全反射透鏡部後，在該全反射面被內部全反射至該出光面，且自該出光面出射。
7. 如申請專利範圍第6項所述的照明單元，其中最靠近該菲涅爾透鏡部的中心的該第二入光面連接於最遠離該菲涅爾透鏡部的中心的該第一入光面。
8. 如申請專利範圍第6項所述的照明單元，其中該些第一入光面的數量為6，且該些第二入光面的數量為4。
9. 如申請專利範圍第6項所述的照明單元，其中各該全反射面為曲面。
10. 如申請專利範圍第6項所述的照明單元，其中各該第二入光面與該發光元件的光軸所夾的角度落在0度至3度的範圍內。
11. 一種體內照明系統，包括：一安全環型開腹撐開器；以及多個照明單元，設置在該安全環型開腹撐開器上，各該照明單元包括：一二次光學元件，包括一菲涅爾透鏡部以及一環繞該菲 涅爾透鏡部的全反射透鏡部；以及一發光元件，朝該二次光學元件發出一光束，其中該光束在進入及射出該菲涅爾透鏡部時分別被折射一次，該光束在進入及射出該全反射透鏡部時分別被折射一次且在該全反射透鏡部內被全反射一次，其中入射該菲涅爾透鏡部的該光束與該發光元件的光軸所夾的角度落在0度至60度的範圍內，且入射該全反射透鏡部的該光束與該發光元件的光軸所夾的角度落在61度至90度的範圍內。