一种基于RGB LED的手术显微镜光源的设计

张进奇

[摘    要]手术显微镜作为显微外科手术的重要器械之一，现已成熟应用于各个科室的手术与治疗中。手术显微镜的应用范围也从传统的神经外科和脊柱外科等重要的手术科室扩展到其他科室。设计了一种基于RGB LED的色温可调的手术显微镜新光源，从光源色度学理论出发，提出了一种基于RGB LED合成不同色温/色坐标的合色公式和算法，并对光源的硬件电路进行了设计实现，为其他手术显微鏡光源的开发提供了一定的设计参考。

[关键词]手术显微镜;RGB LED;光源;色温/色坐标

[中图分类号]TN929.1 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）05–00–03

A design of Light Source for Surgical Microscope Based on RGB LED

Zhang Jin-qi

[Abstract]As one of the important instruments of microsurgery， the operating microscope has been maturely used in the operation and treatment of various departments.The scope of application of operating microscopes has also expanded from traditional neurosurgery and spinal surgery and other important operating departments to other departments.A new light source for operating microscopes with adjustable color temperature based on RGB LED is designed.Starting from the theory of light source colorimetry， a color combination formula and algorithm based on RGB LED synthesis of different color temperatures/color coordinates is proposed.The circuit is designed and implemented， which provides a certain design reference for the development of other surgical microscope light sources.

[Keywords]operating microscope; RGB LED; light source; color temperature/color coordinate

1  概述

手术显微镜作为显微外科手术的重要器械之一，现已成熟应用应用于各个科室的手术与治疗中。手术显微镜的应用范围也从传统的神经外科和脊柱外科等重要的手术科室扩展到其他科室。

显微镜的光源在手术显微镜中是一个不可或缺的组成部分，光源的好坏直接影响着显微镜的成像质量，从而影响医生观察的真实性和准确性。按照构成光源类型的不同，手术显微镜的光源通常可以分为卤素灯光源、氙灯光源和LED光源三大类。

本文设计了一种基于RGBLED的色温可调的手术显微镜新光源。通过分析传统卤素灯/日光灯光源对手术显微镜应用方面的不足，从光源色度学的理论出发，提出了一种基于RGBLED合成不同色温/色坐标的合色公式和算法，并对光源的硬件电路进行了设计实现。

2  手术显微镜对光源的需求

随着手术显微镜应用领域的加深，不同的科室和不同手术可对光源系统提出了不同的要求。例如：血液对绿光有特定的吸收作用，可使医生更好的分辨血液和组织;一种色温在3300K左右的橘黄色光源可使补牙时使用的填充剂延迟固化，从而方便医生的操作和治疗。这些应用往往对光源的色温/色坐标有着不同的要求，而传统的卤素灯和氙灯等光源色温固定且单一，往往无法满足这些要求。为解决这一问题，本文以牙科手术显微镜对光源的需求为基础，设计了一种基于RGBLED的色温/色坐标可调的手术显微镜新光源，其具体的设计指标，如表1所示。

3  光源的色度学原理

通过控制RGBLED各自发光，并设计光路，使其最终合成一束光并输出，这样我们就得到了一个合成后的光源，而合成后光源的色温/色坐标等参数可以通过色度学原理进行计算。

3.1  CIE1931XYZ色度系统

在颜色感知的研究中，CIE1931XYZ色彩空间是其中一个最先采用数学方式来定义的色彩空间，它由国际照明委员会（CIE）于1931年创立。

色彩空间指的是用一种客观的方式叙述颜色在人眼上的感觉，通常需要三色刺激值。在三色加色法模型中，如果某一种颜色和另一种混合了不同分量的三种原色的颜色，均使看上去是相同的话，我们把这三种原色的分量称作该颜色的三色刺激值。CIE1931色彩空间通常会给出颜色的三色刺激值，并以X、Y和Z来表示。

3.2  RGB的合色算法

合成光源色坐标及亮度的计算是基于CIE1931XYZ色度系统的理论为基础，在已知R、G、BLED各自色坐标的前提下，通过对给定的合成色坐标的值进行反推计算，从而得到R、G、BLED分别对应的光通量比例。其对应的方程，如式（1）所示：

（1）

式（1）中，R，G，B分别为各自LED对应的光通量的比例，（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3）分别为R，G，BLED的色坐标;（xmix，ymix）为合成后光源的色坐标。

4  硬件电路的设计实现

4.1  整体电子框架

图1所示为光源的硬件系统架构。如图1所示，光源的硬件电路分别由电源板，MCU主控板，R，G，BLED板和PD传感器板组成。其中电源板为24 V供电，用于提供主控板工作所需电压。主控板上的MCU用于光源合成算法的实现与控制，CAN用于与上位机的通讯，并根据需求设计有ADC，DAC，LED驱动电路和检测电路等电路，用于驱动LED板及检测温度和光强。LED板則是R，G，BLED各自独立为一块PCBA，并采用了铝基板的设计，从而更方便光学结构的布局和散热。PD传感器板安装于光路后端，用于检测R，G，BLED通过光路合成后的光强，从而形成闭环反馈。

4.2  驱动电路设计

驱动电路是光源硬件电路设计中的核心，其被用于产生驱动RGBLED发光的电流。由于此次设计的照明单元的输出光功率最大为1000流明，将其换算到单个LED的驱动电流上，则可达6A。因此若采用常见的线性恒流的方式驱动LED，则会在驱动管上的功耗过大，散热将成为设计中较大的问题，从而增加设计难度。本设计中则采用了TI公司的一款具有电流监视功能的BUCK芯片LM25117，其可检测输出负载电路上的电流，设计中通过检测此电流值，并将此电流值与DAC的控制信号相叠加后给到BUCK芯片的输入反馈引脚（FB），从而巧妙地实现了对驱动回路中的电流的控制，实现了LED的亮度可调。

4.2.1  DAC电路

DAC的作用是将MCU经过处理后的数字控制信号转换为模拟电压信号输出至BUCK驱动电路，从而控制BUCK驱动电路的输出电流。主控制器MCU通过SPI接口对DAC模块进行时序控制和逻辑控制，从而将计算得到的LED电流值传输给DAC。

4.2.2  电流输出型BUCK驱动电路

通过DAC控制LM25117进行输出电流调节部分的电路如图2所示。为方便理解，图2中非完整的驱动电路图，其重点突出了DAC控制和电流反馈的部分。如图2所示，CS和CSG引脚分别连接至采样电阻R6的两端，从而提供了电流信号的采样输入;CM引脚输出的电压经电阻R2，R3分压后与ADC的输出控制电压经过R1，R3分压后相叠加，并连接至FB引脚。由基尔霍夫节点电流定律可得到如下方程：

（2）

由式（2）中可以得到VDAC和VCM的关系，并从LM25117的数据手册中可以得知：VCM为驱动电路输出电流的电压换算值。VFB为驱动电路的负反馈电压，其值在电路稳定输出时与LM25117内部的反馈参考电压相同，为0.8 V。此时，公式（2）中的参数除VDAC和VCM外均为常数，VDAC和VCM成线性关系，即可通过DAC调节驱动电路的电流。

4.3  反馈和检测电路设计

反馈电路用于检测LED的输出光强及驱动电路的电流电压、印刷电路板上的温度等物理参数。信号检测和调理电路将这些物理信号转换为适合ADC检测的信号给到ADC电路，ADC电路将模拟电压信号转换为MCU可以处理的数字信号并输出给MCU，MCU将ADC转换得到的数字信号进行运算和处理，从而实现控制算法的实现和板级状态的检测。

4.3.1  光强检测电路

光强检测电路如图3所示，光敏二极管D1被安装到光路中，通过接受光路中的光强从而产生电流，电流经过由运放U1B和电阻R1组成的跨阻放大电路后将电流信号放大并转化为电压信号，运放输出端口PH_LED_SUM连接至ADC的采样输入引脚，从而实现ADC对光强信号的采集。其中电源V_PD为-5V，由一个电荷泵产生，用于提供光敏二极管所需的反向工作电压。R2为偏置电阻，用于在输出端提供一个固定偏置电压，C2为相位补偿电容，能够更好的保证放大电路的稳定性。

4.3.2  ADC电路

ADC电路用于把检测电路输出的模拟电压信号转换成数字信号并输出给MCU处理。本设计中采用的是TI公司的ADC128S052芯片。ADC128S052是一个低功率、8通道CMOS12位模数转换器，单通道转换速率可达500ksps，其基于连续逼近寄存器结构，并带有内部跟踪-保持电路，最多可以配置为8通道输入。

4.4  光源的测试

在设计完成后，我们对此光源进行了测试，通过软件设置色坐标（x，y）的值为（0.33，0.33），即相关色温为5500K的白光;设置光通量的值为450流明，并在积分球上进行测试。取3台光源的测试结果，对其光通量，色坐标，显色指数的关键参数进行了记录，得到的数据，如表2所示。

5  结语

通过对光源色度学的研究，并应用光谱合成的理论和方法，本论文创新性的提出一款基于RGBLED适用于手术显微镜的色温/色坐标可调的新光源，并对其进行了设计实现。经测试，最终结果满足设计指标要求，解决了传统手术显微镜上光源存在的色温单一，色坐标不可调的问题，从而简化了不同手术显微镜对不同光源的需求。

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