一种LED多光谱光源及其实现方法

技术领域

本发明涉及多光谱光源设计领域，典型应用于智能机器人图像识别及医用图像识别用光源。更具体地，本发明提供一种LED多光谱光源及其实现方法。

背景技术

一般地，多光谱光源的实现代表性方法，有以下几种：

其一是利用二向色镜同轴共轭的方法，如CN201821575340.7一种多光谱光源系统披露的原理，“每种LED发出不同波长的光，然后通过二向色镜，使不同波长的光同轴共轭，这样可以照射到同一个位置，在这个位置上安装光纤探头，将光导出。”这种方法的二向色镜需要对特定两种不同波长光谱进行选择透过和反射，增加不同波段光谱的光，意味着结构的重复性增大和光的利用率的降低。

其二是利用机械切换装置变换输出不同光谱的方法，如CN202010072972.7多光谱光源及多光谱成像系统披露的原理，“灯头的出光口与滤镜转换器的出光口对齐；灯头包括灯箱和设置在灯箱内的闪光灯泡，闪光灯泡用于发出全光谱的光；滤镜转换器包括多片可转动的滤镜，不同滤镜的透射光谱不同。”这种方法的机械转换，会造成切换频繁带来的系统不稳定或不可靠，且滤光片只能选择透过特定光谱，能量损失明显。

其三是导光束直接耦合方式，如“CN201810775680.2一种多用途内窥镜光源，机箱内设有多合一光纤束，LED发光模块上设有白光LED和多个单色LED，且激光模块的输出端、LED发光模块的白光LED和多个单色LED分别与多合一光纤束一端的多个接头连接，多合一光纤束另一端的合成输出端子与导光束插口连接。”这种方法对导光束的要求非常高，容易引起出光不均匀现象。

基于以上现有技术的不足，本发明提供一种LED多光谱光源及其实现方法，包括两种或两种以上波长LED芯片，封装在导热基板面上，由驱动电路板分别驱动不同波长LED芯片，互不干扰，同种或异种波长LED的发光状态与组合，保证了输出多光谱的多样性与便捷性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LED多光谱光源及其实现方法，通过控制不同波长LED芯片的通断组合，可以实现不同波段的光谱转换，满足不同设备对不同光谱的要求，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种LED多光谱光源及其实现方法，LED多光谱光源包括LED模组和导热基板。LED模组封装于导热基板上，导热基板设置的目的在于：一是实现LED模组一次性封装的基础；二是起到将LED模组所产生的热量传导至下一部件的作用，保证LED光源的可靠使用和安全寿命。LED模组包括两种或两种以上波长LED芯片。两种及两种以上不同波长的LED芯片，统一封装于导热基板上，可以根据多光谱的需求，分别选择是否全部或部分驱动，改变导热基板上不同LED芯片的发光与否，形成不同光谱的光源输出。

进一步的，LED多光谱光源还包括外壳、电源、驱动电路板、散热片、冷却风扇、光学聚焦镜组、导光束、开关、触摸屏控制区和电源输入接口。电源、驱动电路板位于外壳内部，外壳是LED多光谱光源的基础框架，而电源、驱动电路板是LED多光谱光源的动力来源。导热基板竖直设于外壳内部。散热片的一端与导热基板相连，散热片的另一端与冷却风扇相连。导热基板、散热片和冷却风扇三者协作散热，导热基板将LED模组所产生的热量传导至散热片，再由冷却风扇对散热片进行冷却作用，从而实现最佳的散热效果。光学聚焦镜组设于导热基板远离冷却风扇的一侧，旨在将LED模组所发散出的多光束，汇聚成一定范围的光束并导出。导光束以水平方向设置于光学聚焦镜组远离冷却风扇的一侧，导光束远离光学聚焦镜组的一端穿过外壳并向外延伸。导光束设置的目的在于将光学聚焦镜组所汇聚而成的光束传递至外界，从而提供特定光谱的照明。开关设于外壳外壁上，是LED多光谱光源的总控制按钮。触摸屏控制区设于开关的一侧，可通过操作触摸屏控制区实现多光谱光源的任意切换，从而实现特定光谱的照明。电源输入接口穿设于外壳背离开关的一侧。驱动电路板、LED模组、电源、冷却风扇、开关、触摸屏控制区和电源输入接口之间电连接。

进一步的，所述光学聚焦镜组包括两片及两片以上的透镜组合。根据导热基板上LED芯片的波长特性，具体由LED芯片发光的点光源的性质决定，每个封装的LED芯片在180度的范围内都有光透出，但中间轴线方向强度高一些，对于不同发射角度的光，通过透镜聚焦的效果是不一样的，这就需要平衡系统中光学透镜的曲率设计与镜片数量等确定，相应选择不同规格的透镜组合，有助于兼顾成本与输出光谱的利用率。

进一步的，所述LED芯片在基板上的排列分布方法包括辅助LED芯片圆周均布围绕主LED芯片的方式。此种排列方式以中心位置的LED芯片为主，圆周围绕的LED芯片为辅，所排布的LED芯片的面积由内而外依次缩减，主要是满足使用过程中不同外科手术的实际需要。比如腹腔镜手术，该手术过程中仅需要以白光为主，那么对LED芯片的发光面积以及发光强度有很高的要求，兼顾成本的情况下，所排布的LED芯片的面积应由内而外依次缩减；当医生进行手术确认，需要对病变组织进行边缘突出显现的情况下，则需要最佳的边缘匹配效果，此时可辅助以其他窄带光谱，视野清晰，且能观察大范围移动，便于进行手术确认。由此可见，在这种方式的排布条件，且每种不同光谱芯片单独驱动的情况下，可充分满足整个腹腔镜手术，甚至是不同外科手术过程中的实际需求。另外，根据不同手术的实际情况，多光谱光源还可实现一定的治疗作用，主要是热作用、光化学热效应以及视觉作用，从而帮助手术过程顺利进行。具体为红光可提高神经的兴奋性，实现刺激作用；蓝光、紫光则可降低神经的兴奋性，起到镇静作用；还可起到加强糖代谢、促进氧化过程、增强机体免疫力等作用。

进一步的，所述LED芯片在基板上的排列分布方法包括同波长LED芯片轴对称分布且不同波长LED芯片间隔分布的方式。此种排列方式与第一种均是对称式排布，为了出光的均匀一致性考虑，不同点在于这种排布方式不分主次，实际应用为两种或两种以上不同波长的窄带光源提供特定的波长，达到最佳的边缘显影的效果，适用于手术过程中的不同场合。另外，对称式排布方式可以十分方便地达到多光谱医用光源在很小的尺寸或空间内可靠实现，有利于微创医疗设备的小型化，操控系统也会更容易实现。

进一步的，所述LED多光谱光源还包括光束输出测试机构，光束输出测试机构位于外壳内部，光束输出测试机构设于导光束与光学聚焦镜组之间，光束输出测试机构与驱动电路板电连接。光束输出测试机构包括光感传感器、位置探测器和采集控制器，光感传感器用于测试光束的输出频率，位置探测器用于测试光束聚焦平面的位置，采集控制器用于调整光感传感器和位置探测器的测试范围。光束输出测试机构设置的目的在于对光学聚焦镜组所汇集的光束进行测试，检测光束输出是否符合特定光谱的需求，从而及时作出调整。根据测试数据可分为两种情况去作出调整：一是根据输出光束聚焦平面的位置适当移动光束入光平面的轴向位置，即透镜组合之间的距离；二是适当移动光学聚焦镜组与LED芯片之间的距离，该多光谱光源涉及多种不同波长的LED芯片，比如蓝光波长短，易散射，但是其频率越高对应的穿透力越强，此时应适当缩短光学聚焦镜组与LED芯片之间的距离，反之红光波长长，不易散射，可适当增加光学聚焦镜组与LED芯片之间的距离，如若二者同时存在，则可取中间值作出距离调整。此法兼顾到多光谱光源中不同波长LED芯片发出的光，最大限度地被导入导光束，从而实现医用光学的照明。

进一步的，所述导热基板的LED模组封装面为平面或凹面。设置的目的在于：一是可以使得不同波长LED芯片所发出的光源更集中，有利于最大化地实现光融合在中心位置，更有利于光线的均匀分布；二是有利于空间利用的有效性，提高LED芯片的封装数量，有助于光功率的增加；三是有助于降低对光学聚焦镜组的要求，从而降低成本。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1、通过控制不同波长LED芯片的通断组合，可以实现不同波段的光谱转换，满足不同设备对不同光谱的要求，光学结构简单、驱动电路切换方便，实用范围广，使用寿命长，综合成本低；此外，根据不同手术的实际情况，多光谱光源还可实现一定的治疗作用，主要是热作用、光化学热效应以及视觉作用，从而帮助手术过程顺利进行。

2、可以输出特定波长的单色光，也可以输出由两种或两种以上波长的光合成的复合光谱，进而，也可以输出白光光源，并且可以很方便地调整输出光的光强度与显色指数等指标，极大地方便了不同功能的切换，且节约能源。

3、根据导热基板上LED芯片的波长特性，具体由LED芯片发光的点光源的性质决定，每个封装的LED芯片在180度的范围内都有光透出，但中间轴线方向强度高一些，对于不同发射角度的光，平衡系统中光学透镜的曲率设计与镜片数量等确定，相应选择不同规格的透镜组合，有助于兼顾成本与输出光谱的利用率。

4、轴对称排列对于光输出照明中心区域的叠加是最优的，而多光谱光源的最大优势就是多种不同光谱全部或部分同时或间隔照射同区域内的组织，使得该区域组织内的不同病理状态能够突出显现，从而有助于对病变组织的识别确认；另外，该种排布方式便于达到多光谱医用光源在很小的尺寸或空间内可靠实现，有利于微创医疗设备的小型化，操控系统也会更容易实现。

5、在一定面积的导光束入光平面条件下，该导光束入光平面处在所有LED芯片发光后经光学聚焦镜组的焦平面范围内，再根据光束输出测试机构的测试数据，适当移动导光束入光平面的轴向位置或者光学聚焦镜组与LED芯片之间的距离，可兼顾到多光谱光源中不同波长LED芯片发出的光，最大限度地被导入导光束，从而实现医用光学的照明。

6、当导热基板的LED模组封装面设置为凹面时：一是可以使得不同波长LED芯片所发出的光源更集中，有利于最大化地实现光融合在中心位置，更有利于光线的均匀分布；二是有利于空间利用的有效性，提高LED芯片的封装数量，有助于光功率的增加；三是有助于降低对光学聚焦镜组的要求，从而降低成本。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明LED多光谱光源及其实现方法的多光谱光源的整体结构的主视图；

图2是本发明LED多光谱光源及其实现方法的多光谱光源的内部结构的俯视图；

图3是本发明LED多光谱光源及其实现方法的多光谱光源的内部结构的侧式图；

图4是本发明LED多光谱光源及其实现方法的LED芯片的排列分布方法一(不同大小、形状代表不同波长的LED芯片)的示意图；

图5是本发明LED多光谱光源及其实现方法的LED芯片的排列分布方法二(不同大小、形状代表不同波长的LED芯片)的示意图；

图6是本发明LED多光谱光源的实现方法的原理示意图；

图中：1、外壳；2、电源；3、驱动电路板；4、LED模组，41、LED芯片；5、导热基板；6、散热片；7、冷却风扇；8、光学聚焦镜组；9、导光束；10、开关；11、触摸屏控制区；12、电源输入接口；13、光束输出测试机构，131、光感传感器，132、位置探测器，133、采集控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供技术方案： 一种LED多光谱光源及其实现方法，LED多光谱光源包括LED模组4和导热基板5，LED模组4封装于导热基板5上；LED模组4包括两种或两种以上波长LED芯片41。

两种及两种以上不同波长的LED芯片41，统一封装于导热基板5上；根据多光谱的需求，由驱动电路板3控制选择LED芯片41是否全部或部分驱动，改变导热基板5上不同LED芯片41的发光与否，形成不同光谱的光源输出。

LED多光谱光源还包括外壳1、电源2、驱动电路板3、散热片6、冷却风扇7、光学聚焦镜组8、导光束9、开关10、触摸屏控制区11和电源输入接口12，电源2、驱动电路板3位于外壳1内部，导热基板5竖直设于外壳1内部，散热片6的一端与导热基板5相连，散热片6的另一端与冷却风扇7相连，光学聚焦镜组8设于导热基板5远离冷却风扇7的一侧，导光束9以水平方向设置于光学聚焦镜组8远离冷却风扇7的一侧，导光束9远离光学聚焦镜组8的一端穿过外壳1并向外延伸，开关10设于外壳1外壁上，触摸屏控制区11设于开关10的一侧，电源输入接口12穿设于外壳1背离开关10的一侧；驱动电路板3、LED模组4、电源2、冷却风扇7、开关10、触摸屏控制区11和电源输入接口12之间电连接。

利用电源输入接口12通电，打开开关10，由触摸屏控制区11实现控制；电源2连通驱动电路板3，实现LED模组4全部或部分驱动；LED模组4发光后，经光学聚焦镜组8的聚焦作用，通向导光束9入光平面处；与此同时，导热基板5将LED模组4发光过程中所产生的热量传导至散热片6，再由冷却风扇7对散热片6进行冷却作用，三者协同作用，从而实现最佳的散热效果。

光学聚焦镜组8包括两片及两片以上的透镜组合。根据导热基板5上LED芯片41的波长特性，具体由LED芯片41发光的点光源的性质决定，每个封装的LED芯片41在180度的范围内都有光透出，但中间轴线方向强度高一些，对于不同发射角度的光，通过透镜聚焦的效果是不一样的，这就需要平衡系统中光学聚焦镜组8的曲率设计与镜片数量等确定，相应选择不同规格的透镜组合，有助于兼顾成本与输出光谱的利用率。

LED芯片41在导热基板5上的排列分布方法包括辅助LED芯片41圆周均布围绕主LED芯片41的方式。此种排列方式以中心位置的LED芯片41为主，圆周围绕的LED芯片41为辅，所排布的LED芯片41的面积由内而外依次缩减，主要是满足使用过程中不同外科手术的实际需要。另外，该种排布方式可以十分方便地达到多光谱医用光源在很小的尺寸或空间内可靠实现，有利于微创医疗设备的小型化，操控系统也会更容易实现。

LED芯片41在导热基板5上的排列分布方法包括同波长LED芯片41轴对称分布且不同波长LED芯片41间隔分布的方式。此种排列方式与第一种均是对称式排布，为了出光的均匀一致性考虑，不同点在于这种排布方式不分主次，实际应用为两种或两种以上不同波长的窄带光源提供特定的波长，达到最佳的边缘显影的效果，适用于手术过程中的不同场合。

导热基板5的LED模组4封装面为平面或凹面。设置的目的在于：一是可以使得不同波长LED芯片41所发出的光源更集中，有利于最大化地实现光融合在中心位置，更有利于光线的均匀分布；二是有利于空间利用的有效性，提高LED芯片41的封装数量，有助于光功率的增加；三是有助于降低对光学聚焦镜组8的要求，从而降低成本。

LED多光谱光源还包括光束输出测试机构13，光束输出测试机构13位于外壳1内部，光束输出测试机构13设于导光束9与光学聚焦镜组8之间，光束输出测试机构13与驱动电路板3电连接；光束输出测试机构13包括光感传感器131、位置探测器132和采集控制器133，光感传感器131用于测试光束的输出频率，位置探测器132用于测试光束聚焦平面的位置，采集控制器133用于调整光感传感器131和位置探测器132的测试范围。

LED芯片41发光后经光学聚焦镜组8的聚焦作用，通向导光束9入光平面处；与此同时，光感传感器131和位置探测器132同时作用，并由采集控制器133进行数据采集及分析处理。

根据测试数据可分为两种情况去作出调整：一是根据输出光束聚焦平面的位置适当移动光束入光平面的轴向位置，即透镜组合之间的距离；二是适当移动光学聚焦镜组8与LED芯片41之间的距离，该多光谱光源涉及多种不同波长的LED芯片41，比如蓝光波长短，易散射，但是其频率越高对应的穿透力越强，此时应适当缩短光学聚焦镜组8与LED芯片41之间的距离，反之红光波长长，不易散射，可适当增加光学聚焦镜组8与LED芯片41之间的距离，如若二者同时存在，则可取中间值作出距离调整。此法兼顾到多光谱光源中不同波长LED芯片41发出的光，最大限度地被导入导光束9，从而实现医用光学的照明。

本发明的工作原理：1、根据手术过程中多光谱光源的实际需求，选择两种及两种以上不同波长的LED芯片41；

2、根据手术过程中适用的场合需求，选择对称式排布方式，例如辅助LED芯片41圆周均布围绕主LED芯片41的方式或者同波长LED芯片41轴对称分布且不同波长LED芯片41间隔分布的方式等；

3、将排布好的LED芯片41统一封装于导热基板5上，封装面可以为平面，也可以为凹面；

4、利用电源输入接口12通电，打开开关10，由触摸屏控制区11实现控制；

5、电源2连通驱动电路板3，实现LED模组4全部或部分驱动，改变导热基板5上不同LED芯片41的发光与否，形成不同光谱的光源输出；

6、LED芯片41发光后经光学聚焦镜组8的聚焦作用，通向导光束9入光平面处；与此同时，光感传感器131和位置探测器132同时作用，并由采集控制器133进行数据采集及分析处理；

根据测试数据可分为两种情况去作出调整：一是根据输出光束聚焦平面的位置适当移动光束入光平面的轴向位置，即透镜组合之间的距离；二是适当移动光学聚焦镜组8与LED芯片41之间的距离，兼顾不同波长LED芯片41发出的光，并最大限度地被导入导光束9；

7、与此同时，导热基板5将LED模组4发光过程中所产生的热量传导至散热片6，再由冷却风扇7对散热片6进行冷却作用。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。