CN102812292A - 改进的led型牙科检查灯 - Google Patents

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托马斯·H·罗科米
罗伯特·圣·路易斯
约翰·赫尔吉森
纳比尔·戴荷尔
泰德·冯·巴蒂恩斯基
汤姆·本菲尔德
奥斯丁·昂斯沃斯
内森·海默
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Abstract

本发明揭示了一种具有LED光源的改进型牙科手术灯，其中，LED光源发出的灯光被导向反光板，反光板反射灯光，从而对治疗区域进行照明。根据一个实施例，该灯具能够高效地从光源向环境导热。根据另一个实施例，该灯具能够产生最适合于治疗区域的预定光照模式。根据其它实施例，该灯具包括使其保持最佳光强和/或温度的结构特征。本发明还揭示了一些独特的反光板实施例，这种反光板具有有意形成的大致光滑表面，没有小平面，能够反射所有可见光和红外波长的灯光。

Description

改进的LED型牙科检查灯
相关美国申请信息
本申请要求基于2010年1月26日提交的第12/693,904号美国专利申请的优先权，第12/693,904号美国专利申请是2008年10月8日提交的第12/287,481号专利申请、公开号第US 2009/0091913号的部分延续案，而第12/287,481号专利申请是2007年10月5日提交并于2008年1月31日公开的第11/867,876号专利申请、公开号第US2008/0025013A1号的部分延续案。对这些申请的优先权要求根据美国法典第35章120部分(35USC 120)提出，这些申请的揭示通过完整引用结合在此。
技术领域
本发明涉及一种用于对治疗区域进行照明的手术灯，特别涉及一种包含有技术特征、使其非常而独特地适合于由牙科医生或牙科助理在牙科手术环境中使用的灯。
背景技术
长期以来，为世人所公知的是，可以利用电力产生可见光。由电力驱动的白炽灯发光元件也已经应用了几乎同样长的时间。但是，这种白炽灯具有从电力向可见光转化的效率很低的缺点。效率低下的转化过程导致产生大量热量，发出大量的红外光谱或近红外光谱辐射。这种红外线放射不可避免地随照明光束一起在目标上投射热负荷。白炽灯光产生的热量有时可能给环境控制系统，例如在住宅中使用的冷却系统，带来不必要的负担。效率低下的转化过程以及从灯光附近的区域消除不想要的热负荷的要求会导致不必要的电费增加。而且，当在手术室中用于对患者身上的手术位置照明时，红外线放射可能使被照明的组织发生不理想的干燥，或者可能使患者产生不适的感觉。
可替换性的发光元件包括荧光灯泡。与白炽灯泡相比，这种荧光灯泡的优点是产生的热负荷较少。但是，荧光灯泡通常体积较大，并且其产生的光的颜色和强度对许多应用来说不太理想。而且，驱动荧光灯泡的电路中所需的某些电气部件，例如镇流器，常常产生不应有的噪音。当在手术室中使用时，通常需要减小灯具的体积，以减少其对手术台的侵扰，并便于对灯具的操控。
目前市场上销售的大多数牙科检查灯都使用白炽灯泡作为光源。这些白炽型牙科检查灯有一些缺点，例如：对红外线(IR)放射必须使用滤光镜或者所谓的“冷光镜”来消除，以防止在患者和用户身上造成过度增温；灯泡的使用寿命较短；用户无法调节光的色温和色度；随着光强的减弱(变暗)，色温会越来越低，光会变得“更暖”(即，从白色向橙/红色转变)；产生大量紫外线(UV)和蓝光，使得牙科复合材料和粘合剂发生不理想和不受控制的固化。
发明概述
发明人认为，需要提供一种能效更高的灯具，该灯具产生的热负荷较小，其发出的灯光具有理想的颜色和强度，并且颜色和强度可以调节，从而在单个灯中实现合乎需要的光谱。相应地，根据本发明的一个实施例，本发明属于一种用于对治疗患者的治疗区域进行照明的手术灯，它包含能够高效地从光源向环境传递热量的结构特征。该灯适合于以可移动的方式安装在治疗区域上方的预定位置，以便医生对患者进行治疗。该灯包括具有朝向治疗区域的前部和背对治疗区域的后部的灯罩。灯罩的前部包括横跨灯罩的大致中心轴线延伸的细长支撑部件。一个LED光源安装在通常位于灯罩的中心轴线的支撑部件上，用于背对治疗区域产生和向后投射灯光，该LED光源具有朝向治疗区域的底座和背对治疗区域的透镜。在灯罩的后部包含有反光板，它被来自于LED光源的灯光照亮。反光板通过通常为平行于灯罩的中心轴线的支撑部件以光束的形式朝治疗区域反射灯光，以照亮治疗区域。灯罩还包括与从反光板向治疗区域反射的光束呈一定间距布置的散热装置，因而该散热装置不会阻碍向治疗区域照明的光束；灯罩还包括从LED光源附近的位置沿支撑部件向散热装置延伸的导热管，用于把LED光源产生的热量传导到散热装置上，以散发由LED光源产生的热量。
在一个特定实施例中，该导热管为热管。在另一个实施例中，该导热管由具有高导热系数的材料制成的通常为实心的杆构成。而且，该散热装置可以布置在灯罩的后部。在一个更具体的实施例中，该散热装置包括用于导引环境气流从其通过的多个通道。
在另一个实施例中，该导热管为空心管，用于导引冷却气流通过LED光源，以吸收LED光源产生的热量，并且把受热后的空气导引到散热装置上，由散热装置向周围环境排气。该实施例还可进一步包括与空心管通过流体相通的风扇，用于驱动冷却空气流过空心管。
在另一个实施例中，该支撑部件从灯罩的一侧向灯罩的中心轴线延伸。在一个更具体的实施例中，该支撑部件从灯罩的一侧向灯罩的另一侧延伸，而LED光源通常布置在支撑部件的中心。
发明人还认识到，通过控制反射到患者身上的光输出的形状，可以提高牙科灯的照明效率。根据另一个实施例，本发明属于一种用于对治疗区域进行照明以治疗患者的手术灯，该手术灯包括有策略地布置的导光装置，以根据预定形状和模式导光。该灯能够以可移动的方式安装在治疗区域上方的预定位置，以便医生对患者进行治疗。该灯包括具有朝向治疗区域的前部和背对治疗区域的后部的灯罩。灯罩的前部包括横跨灯罩的大致中心轴线延伸的细长支撑部件。一个LED光源安装在通常位于灯罩的中心轴线的支撑件上，用于背对治疗区域产生和向后投射灯光，该LED光源具有朝向治疗区域的底座和背对治疗区域的透镜。在灯罩的后部包含有反光板，它被来自于LED光源的灯光照亮。反光板通过通常平行于灯罩的中心轴线的支撑部件以光束的形式朝治疗区反射灯光，以照亮治疗区域。此实施例进一步包括布置在LED光源和反光板之间的导光装置，该导光装置用于从光源向通常具有透明部分的反光板导引光束，该通常透明的部分的截面尺寸和形状使得从反光板反射的灯光以预定形状和尺寸的模式照亮治疗区域。
在一个更具体的实施例中，该导光装置属于一种具有可调光圈的光学装置。在一个例子中，该光圈由一个或多个活动片构成，该活动片限定出构成导光装置的通常透明部分的孔眼。在另一个例子中，该光圈属于一种半导体板，该半导体板具有能够被选择性地制成为透明或不透明的多个区域。
可替换性的，该导光装置属于一种由透明材料制成的杆。在一个具体例子中，所述透明材料可由丙烯酸或聚碳酸酯材料构成。
根据另一个实施例，本发明属于一种用于对治疗区域进行照明以治疗患者的手术灯。该灯包括一个支撑件，在该支撑部件上安装有一个LED光源。在灯罩的后部包含有反光板，它被来自于LED光源的灯光照亮。反光板通过通常平行于灯罩的中心轴线的支撑部件以光束的形式朝治疗区域反射灯光，以照亮治疗区。此实施例还包括布置在LED光源和反光板之间的导波装置，该导波装置用于混合从LED光源发出的可见光波长，从而把不同波长的光混合为在照射到治疗区域时基本上为完全单色的一束光。除了混合功能之外，该导波装置还用于把从一个或多个LED发出的光整形为特定的光模式。在一个优选的实施例中，光以矩形模式发出。
在一个具体实施例中，该光源包括红、绿、蓝LED装置，它们共同产生具有多种波长的光。可替换性的，该光源属于可产生具有多种波长的光的单个白色LED。
在另一个具体实施例中，导波装置是由透明材料制成的杆，沿其侧面形成有棱，并沿通常平行于光束方向的方向从LED光源向反光板延伸。透明材料的非限制性例子有丙烯酸或聚碳酸酯材料。可替换性的，该导波装置可为全息扩散管(例如，请参阅第5,471,327和5,926,293号美国专利)。
根据发明人在反射型牙科手术灯中利用LED灯的新方式可以知道，滤光器的实施能够改善牙科用光源的光输出。在另一个实施例中，本发明属于一种用于对治疗区域进行照明以便治疗患者的手术灯，该手术灯结合有策略地布置的滤光器，该滤光器在灯光到达治疗区域之前能够消除不需要的光波长。该灯能够以可移动的方式安装在治疗区域上方的预定位置，以便医生对患者进行治疗。该灯包括具有朝向治疗区域的前部和背对治疗区域的后部的灯罩。灯罩的前部包括横跨灯罩的大致中心轴线延伸的细长支撑部件。一个LED光源安装在通常位于灯罩的中心轴线的支撑部件上，用于背对治疗区域产生和向后投射灯光，该LED光源具有朝向治疗区域的底座和背对治疗区域的透镜。在灯罩的后部包含有反光板，它被来自于LED光源的灯光照亮。反光板通过通常平行于灯罩的中心轴线的支撑部件以光束的形式朝治疗区域反射灯光，以照亮治疗区域。如上所述，此实施例还包括滤光器，用于在灯光照亮治疗区域之前消除灯光中不需要的可见光波长。
滤光器可以是布置在灯罩前的遮光部件，用于传送和过滤由反光板向治疗区域反射的灯光。滤光器可以包括在光源和反光板之间布置的滤光部件，该滤光部件传送和过滤由光源产生的灯光，并把其导向反光板。在一个具体实施例中，该滤光部件属于一种半导体板，具有可选择性地涂装为对具有已选定的可见光波长的灯光不透明的区域。在另一个具体实施例中，该滤光部件以可移动的方式安装，从而能够有选择性地在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置，该滤光部件被从光源发出并导向反光板的灯光照亮，在第二位置，该滤光部件不被从光源发出并导向反光板的灯光照亮。
发明人认识到，牙科灯具，特别是LED型灯具，需要精确校准，以提供正确和所需的光强。当灯具在客户地点被安装好后，随着时间的推移，灯具有可能偏离其原始校准值。因此，发明人设计了一种能够在使用寿命期内自我校准的灯具。相应地，根据另一个实施例，本发明属于一种用于对治疗区域进行照明以便治疗患者的手术灯，该手术灯包括把其光源与电源连接的电路，以及与该电路配套的控制器，所述控制器用于有选择性地控制提供给LED光源的功率等级，以控制由LED光源产生的灯光的强度。另外，此实施例还包括一种被光源产生的灯光照射的光传感器，该光传感器用于检测以预定波长照射在该传感器上的灯光的强度等级，并产生将提供给控制器的光强指示信号。与其它实施例类似，此灯具实施例能够以可移动的方式安装在治疗区域上方的预定位置，以便医生对患者进行治疗，该灯具包括具有朝向治疗区域的前部和背对治疗区域的后部的灯罩。灯罩的前部包括横跨灯罩的大致中心轴线延伸的细长支撑部件，在通常位于灯罩的中心轴线的支撑部件上安装有LED光源，用于背对治疗区域产生和向后投射灯光，该LED光源具有朝向治疗区域的底座和背对治疗区域的透镜。灯罩的后部包含有反光板，该反光板被来自于LED光源的灯光照亮。反光板通过通常平行于灯罩的中心轴线的支撑部件以光束的形式朝治疗区反射灯光，以照亮治疗区域。
在一个例子中，该光源包括红、绿、蓝LED灯装置以及对每个LED灯装置产生的灯光的光强进行控制的控制器。在一个例子中，光传感器检测由LED光源产生的灯光的每个红、绿、蓝波长的强度。在另一个例子中，控制器至少部分地根据光传感器产生的信号控制提供给LED光源的功率等级。在另一个例子中，光源属于一种白色LED光源，而控制器控制LED灯装置的光强。
发明人认识到，对于本发明中所述的在牙科手术灯中利用LED光源的新实施方式，温度控制是一个重要问题。由于LED灯可能变得非常热，因此牙科人员在操控灯的时候可能有被严重烧伤的危险。而且，如果灯在经过一段时间之后超过某个温度，灯本身也存在损坏的危险。在另一个实施例中，本发明属于一种用于对治疗区域进行照明以便治疗患者的手术灯。该灯能够以可移动的方式安装在治疗区域上方的预定位置，以便医生对患者进行治疗。该灯包括具有朝向治疗区域的前部和背对治疗区域的后部的灯罩。灯罩的前部包括横跨灯罩的大致中心轴线延伸的细长支撑部件。一个LED光源安装在大致位于灯罩的中心轴线的支撑部件上，用于背对治疗区域产生和向后投射灯光，该LED光源具有朝向治疗区域的底座和背对治疗区域的透镜。灯罩的后部包含有反光板，该反光板被来自于LED光源的灯光照亮。反光板通过通常平行于灯罩的中心轴线的支撑件以光束的形式朝治疗区域反射灯光，以照亮治疗区域。此实施例还包括把光源与电源连接的电路以及与该电路配套使用的控制器，所述控制器用于控制提供给光源的功率等级，从而控制所产生的灯光的强度。此实施例还包括与LED光源有导热关系的温度传感器，该温度传感器用于检测LED光源的温度，并产生将提供给控制器的LED光源温度指示信号。
在一个具体实施例中，控制器至少部分地根据由温度传感器产生的信号控制提供给LED光源的功率等级。在另一个实施例中，LED光源安装在印刷电路板上，温度传感器也安装在印刷电路板上。在一个更具体的实施例中，电路包括具有安装在印刷电路板上的整流器和调压器的电能质量装置，温度传感器安装在印刷电路板上。公知的是，传统的卤素反射灯会发出具有不需要的波长和强度的灯光。为了解决此问题，卤素灯厂商通过产生小平面等方式有意地破坏反光板的表面，从而“软化”发出的灯光。与这种常规技术相比，通过对于如何在反射型灯具中实施LED的认识，发明人发现了一种具有故意做出的很光滑表面的反光板，该反光板能够避免卤素灯所遇到的问题。根据另一个实施例，提供了一种具有反光板的牙科灯，该反光板具有整体大致光滑的表面。该反光面基本上没有小平面，能够反射可见光和红外线波长的整个光谱的灯光。
在一个具体实施例中，该反光面包括其上的一层铝涂层。反光板本身可由具有抛光前面的铝板制成。在其它实施例中，反光板可包括一层反光材料膜，该膜层具有自粘背衬层和反光面。该反光板还可包括背对反光面的背面附着部，该部分有助于把反光板固定到灯具的灯罩上。另外，背面还可包括对位部分，利用该部分可对反光面进行对位。在一个具体实施例中，反光板为整体构造型，包括在反光板上整体形成的附着部分和对位部分。
如上所述，LED灯发热的问题应当得到解决。在另一个实施例中，在灯上相对于LED光源布置有热电式冷却装置，以帮助传递由光源产生的热量。在一个特定实施例中，该热电装置为珀尔帖型(Peltier-type)装置。
附图说明
虽然上述说明和权利要求明确指出和说明了本发明的特点，但通过下列说明并参照附图，本领域的技术人员能够更好地理解和领会本发明。
图1是根据本发明的一个特定实施例实现的牙科手术灯的透视图。
图2是图1所示的牙科手术灯的一个放大侧面透视图，其中的剖切部分示出了LED光源。
图3显示了牙科手术灯的组件布置和代表性的LED光输出。
图4显示了本发明的牙科手术灯中的导波装置的一个实施例。
图5显示了根据本发明的一个实施例实现的牙科手术灯的代表性照明模式。
图6是根据本发明的一个特定实施例实现的具有内反光面的光模块的截面图。
图7是根据本发明的一个特定实施例实现的牙科手术灯的透视图。
图8显示了在本发明的牙科手术灯中使用的具有预定模式孔眼的导光装置的一个实施例。
图9显示了在本发明的牙科手术灯中使用的具有可调光圈的导光装置的一个实施例。
图10是在牙科手术灯中使用的一个反光板实施例的正视图。
图11是图10中所示的第一反光板实施例的12-14轴向截面图。
图12是图10中所示的第二反光板实施例的12-14轴向截面图。
图13显示了图10所示的反光板实施例的后侧透视图。
图14是包括前滤光器的牙科手术灯的正视图。
发明详述
虽然上述说明包含许多细节，但这些细节不应视为限制本发明的范围，而仅用于示例性地说明一些典型的实施例。类似地，其它实施例可以在不脱离本发明的精神或范围的前提下被设计出本。不同实施例的特性可综合采用。
图1显示了本发明的一个实施例的透视图，它显示了按照本发明的原理构造的一种光源结构，整体以编号100表示。光源结构100通常可表示为一种灯具。灯具100由电力驱动，用于向布置在灯具前方一定距离处的工作区域提供照明，工作区域整体以编号102表示。理想的，由灯具100照明的工作区域没有阴影，其照明颜色和强度比较均一。对于大多数应用来说，被照明的目标工作区域被认为是具有一个大致平坦的区域以及与此区域相对应的正常深度。也就是说，被照明区域通常被构造为包含一个与所覆盖区域差不多大小的空间。
图示的灯具100可包括用于把灯具100连接到工作区域中的悬挂结构的附着结构(未显示)。虽然任何方便的布置方式都是可以的，但该附着结构通常附着在灯具100的背面106或侧面107。通常，牙科手术室中的悬挂结构允许用户在手术区中调整灯具的朝向，从而把灯具100的光输出对准所需的目标区域。本发明的一些实施例提供了与市场上销售的灯具相比重量更轻和/或侵扰体积更小的灯具。这种重量较轻的灯具允许相应地减少灯具悬吊装置的质量，从而提高把灯具的输出对准目标区时的操作便利性。
当在牙科手术室等环境中使用时，可以利用一个前罩(未显示)作为保护罩，以阻挡灰尘和被污染的悬浮微粒进入灯具内部。该护罩的前面可构造为易于清洁的表面，以便保持手术区的无菌状态。在某些实施例中，护罩可结合有一个或多个透镜，用于聚焦或改变灯具100的光输出。不论是否配备有聚焦透镜，都可配装由Lexan.RTM品牌或其它类似的光学用可成型材料制成的护罩来完全包住牙科灯的前面，以防止灯的污染和便于灯的清洁。护罩可通过注模工艺生产，并且可包括聚焦透镜。护罩或灯罩114的一部分可通过铰接连接，或者通过可由用户开启的方式连接，以便操作灯具100的内部，对发光元件进行维修或更换。
参照图3，LED118发出由多条光线120代表的灯光。可用的LED包括3瓦LED，例如由美国Lumileds Lighting有限公司销售的Luxeon牌LXHL-LW3C产品。
通常，采用反光元件116把LED的光输出导向目标位置。在一个特定实施例中，反光元件116可以是非球面凹透镜，它汇聚从混光棒发出的光，并把其聚焦到病人面部的平面上(“像平面”)。反光板表面的轮廓可以是绕中心光轴转动的简单二维椭圆截面。在一种有效地校准光线120并把它们导向照明区的布置方式中，可包括聚焦透镜209。在本发明的一些实施例中，照明区域126与灯具100的目标覆盖区对应。在这种情况中，从各个模块118发出的光应在整个照明区域126中基本上一致。某些光线128可按其它方向发出，而不是照射目标区域126的方向。这种光线128被称为散射光。如光线120的汇聚图所示，有时区域126的中心位置的光照强度较高，而周边位置的光照强度较低，如参照图5给出的说明中所述。在一个优选实施例中，灯光以通常为矩形的模式照射，其边缘与矩形模式周围的非照明区相比非常明显。在另一个实施例中，LED光源118、透镜209以及所有配套的镜片都相互协调布置，从而以选定的焦距在其照明覆盖区中产生基本一致的照度。而且，在LED光源118和反光板116之间可布置一个导波装置136。
如图2所示，LED光源118通常安装在与灯罩114配套的托架112上。托架112组件的结构应使LED光源能够简单快速地装卸，并且包括用于向LED供电的连接结构，还可包括金属芯电路板130。更优选的方式是，托架112由能够导热的材料或者与导热管134配套的材料制成。比较有利的是，托架112和/或热管134以及灯罩132的结构和布置方式能够朝远离灯具100的前面102的方向消散LED光源118产生的任何热量。在一些实施例中，使用热管134特别合适，因为如果采用直接布置在金属芯板和发热LED之后的较大散热装置，可能严重遮蔽聚焦到像平面上的光线。利用热管134或等效结构，可以把热量通过热管134传导到布置在反光板后面的散热罩上，在该位置，散热罩不会遮蔽光线。
如图1所示，一个示例性的散热罩包括散热片142。散热片142可以与灯具100的外罩114一体形成，并且可由任何导热或散热材料制成，例如铸铝。为了提高冷却效果，可以采用一个风扇来把空气抽入反光板116和灯罩114之间的空隙144中(参见图1)。为了最大限度地增加表面面积和提高冷却效果，散热装置/灯罩的内部包括在其间形成通风道的翅片或肋片142。
所属领域的技术人员能够理解，根据本文中的教授，可以把热管134替换为具有高导热系数的其它导热管，例如实心杆。或者，该导热管为空心管，用于传导通过LED光源118的冷却空气流，以吸收LED光源118产生的热量，并把受热后的空气导向散热装置142。图7示出了一根空心管式导热管225，它与具有翅片142的散热装置相通。此实施例包括通过流体与空心管225相通的风扇227，用于使气流通过管225流动。图7中所示的实施例还包括与LED光源118相邻的热电式冷却装置230；该热电冷却装置可以是本领域已知的类型，但不仅限于珀尔帖型装置。灯具包括向热电式冷却装置230供电的独立电源231，该电源优选布置在灯罩上，但与热电式冷却装置230热绝缘；或者，该热电式冷却装置230由通过电路513向印刷电路板130供电的灯具电源供电。热电式冷却装置230与从LED光源118导热的空管225一起工作。或者，灯具可配有不带导热管的热电式冷却装置230。
当使用多个不同颜色的LED时(例如红、绿、蓝和黄色)，为了产生单色光，从每个LED发出的光应与从所有其它LED发出的光充分重叠。在一个特定实施例中，一根由丙烯酸制成的透明矩形杆用于实现此功能，在此称为导波装置136。应当理解的是，导波装置136可由能够作为导光装置的任何适当材料制成。通过在导光装置136的外壁上增加周期特性或“波纹”150，能够显著提高导光装置136的性能。如图4所示，来自于不同颜色的多个LED154的光(例如红、绿、蓝和/或黄色光)进入波导杆136的一端，并以复合白光158的形式从波导杆136的另一端发出。在一个特定实施例中，把来自于四个不同颜色的LED(红、蓝、绿和黄色)的光进行复合，以产生白光。通过改变不同颜色的配比，可以改变白光的特性。具体地说，可以产生4200°K和5000°K协调色温(CCT)的白光，同时保持较高的显色指数(CRI)，通常超过75。蓝光通常在445纳米至465纳米的峰值波长范围内出现。绿光通常在520纳米至550纳米的主波长范围内出现；黄光通常在584纳米至597纳米的范围内出现；红光通常在613纳米至645纳米的范围内出现。可以使用杆架138把导波装置136固定就位。
导波装置136还具有对接收到的光进行整形从而按照预定模式发出光的功能。图中所示的导波装置136用于以矩形模式对灯光进行整形。因此，不论是使用一个白色LED还是使用多个不同颜色的LED，都可实现灯光整形功能。
对于每种颜色，可利用回流表面安装技术安装多个LED，以实现最佳光密度。在一个特定实施例中，可使用常规的金属芯板(MCB)130。或者，可使用常规的纤维玻璃层压板(FR4)印刷电路板(PCB)材料。LED(特别是红光和黄光LED)具有光输出随温度升高显著减少的特点。为了保持最佳光输出和正确的光强比，以便保持所需的CCT和CRI，热量管理可能很关键。
本发明的灯具100包括许多不同的工作模式，这些模式实现不同的光特性，如表1所示。
表1
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在这种设计中，四种颜色的配比通过电流脉冲宽度调制变化来控制。在灯具100的组装和测试过程中，以预定的最大电流在像平面上对每种颜色的峰值波长、光谱范围(最大全宽的一半)和照度(流明)独立地进行特征化。利用基于理论和经验预测的测试软件，在启动过程中(板温度等于环境温度)在三种工作状况(4200K、5000K和“无固化”模式)的每一种下使用这些值产生了每个波长的占空系数表。然后，可以把这些表存储到与灯具的序号相应的电子记忆装置(芯片)中。随后，在灯具首次启动时，PWM控制器查询存储在记忆芯片上的占空系数表，并相应地设置占空系数。此时，测试软件算法还能够产生并存储板的整个温度范围的占空系数表，这将在下文中详述。
在本发明的一个特定实施例中，可包括温度补偿或测量功能。由于每个颜色的LED具有不同的热敏感性，因此可使用补偿算法来为每种颜色设置与温度呈一定关系的驱动电流值。可以对补偿算法进行调整，假定特定颜色的LED在温度灵敏性方面没有显著差异。因此，不需要在热学上对每个灯进行特征化，而是可以依靠在算法中通过理论和经验确定的温度关系。
在图7所示的一个特定实施例中，在LED电路板130上布置有热敏电阻511和控制器509。热敏电阻511感知板130的温度，可根据先前确定的经验值从该温度导出LED温度。控制器509通过电路513与电源(未示出)通信，并控制根据热敏电阻511的信号向LED输送的电流。灯具配有用于保证输送给LED的电能的质量的整流器516和调压器518。
而且，如上所述，灯具在安装后应保持预定的光强。图7所示的灯具包括与控制器509通信的光传感器515。来自于LED光源118的灯光照在光传感器515上，控制器509根据从传感器获得的值来控制灯光的光强。
用于向LED光源118的LED供电的电源可以选择性地工作，从而在控制器509的控制下对LED的光强进行调节。在配有多个LED的实施例中，电源可以选择性地工作，从而独立地控制输送给每个LED的功率等级。LED可配置为具有可变颜色输出。例如，光强调节范围可为0至2500FC左右。光强调节可在整个调节范围内连续进行，也可在调节范围内的孤立设定点处调节。与LED光源118的电源通信的控制器509可以控制输送到LED的功率等级，从而控制灯光的输出强度。与本发明结合使用的适当控制器是本领域所熟知的，包括但不仅限于在一条半导体集成电路(IC)上结合有中央处理器(CPU)功能的任何可编程数字电子元件。
在本发明的另一个实施例中，用于对手术区域照明的牙科手术灯包括具有朝向手术区域的前部和背对手术区域的后部的灯罩。可包括多个发光二极管(LED)。在灯罩内有配置为接收至少一个非发光二极管(非LED)光源的适配器。所述至少一个非LED光源可由一组灯构成，例如，可选自石英卤素灯、钨卤素灯、白炽灯、氙灯、荧光灯、光纤灯、气体等离子灯、激光灯、紫外线灯和蓝光灯。所述至少一个非LED光源还可由选自牙科治疗灯、口腔癌筛查灯、蛀牙(牙洞和龋齿)检测灯、血液检测灯、灭菌灯和牙齿美白灯等的一组灯构成。
本发明的一个特定实施例包括用于对手术区域照明的牙科手术灯，该牙科手术灯包括具有朝向手术区域的前部和背对手术区域的后部的灯罩。LED光源118的布置方式使得LED对正反光元件116上的预定点，从而把来自于LED光源118的灯光导向灯的前方，导光模式使得灯光汇聚到高照度204的中央区，而中央区之外的照度202显著降低，如图5所示。本发明中牙科手术灯的灯光的典型聚光模式包括椭圆状聚光模式，其尺寸为3英寸x6英寸左右(7.62厘米x15.24厘米左右)。在一个特定实施例中，相对于具有高照度204的中央区，中央区之外的照度202的降低量为最大光强的50％。具有高照度204的中央区可具有至少50毫米x25毫米的模式尺寸。中央区之外的较低照度202可配置为相对于高照度中央区逐渐且平滑地降低。光照模式可配置为距目标位置700毫米的聚光高度处的亮度超过20000流明。具有高照度204的中央区的照度在60毫米距离处可配置为低于1200流明。该牙科手术灯以最高功率工作时，在180纳米到400纳米光谱区中的照明功率可配置为不超过0.008瓦/平方米。
在一个优选实施例中，发光的模式为矩形模式，相对于矩形模式的非照明区域，照明区域周边的光强具有强烈的对比。在一个具体例子中，与矩形照明模式区中的光强相比，矩形照明模式区周围的非照明区域中的光强降低至少70％、80％或90％。
图7示出了在LED118的后端结合有导光装置250的一个实施例，其中，导光装置250允许灯光按照上段所述的预定模式从其穿过，并且/或者作为一个如下所述的滤光器。所示的导光装置250布置在透镜209的后部。导光装置250和透镜209可如图所示结合使用，也可单独使用，在单独使用时，两者中的某一个从灯具100上省去。所示的导光装置250在不需要使用时可以向上翻起(如虚线所示的部件251)。图8示出了具有各自的孔眼213a-c的板形导光装置的例子，这些导光装置可按图7中所示的导光装置250的方式实施。或者，导光装置250也可采用可调光圈的形式，它根据所需模式调节光照形状。图9示出了具有由控制杆221控制的可调孔眼223的光圈220的一个例子。所属领域的技术人员能够理解，该光圈可以自动化，从而不需要控制杆221。相应地，可在灯具上的方便位置布置一个开关，以操纵该光圈。除了图中所示的具体例子，所属领域的技术人员能够理解，也可采用能够根据操作人员的要求对灯光进行整形的其它类型的导光装置，包括但不仅限于具有可选择性地制成透明或不透明的区域的LCD/半导体板。(参见美国专利公告20090207331、20090230412和2005026994中的液晶显示屏例子。)通过在板上施加电流，可以调节板上的通常为透明的区域和通常为不透明的区域。这可用于产生特定的灯光模式。
图6示出了本发明的另一个实施例，其中，用于对手术区域进行照明的牙科手术灯包括具有朝向手术区域的前部210和背对手术区域的后部212的灯组件208。在灯组件208内可布置有一个反光板模块220，更具体地说，该反光板模块220可布置在灯组件208的背面212。在反光板模块222中可布置有可选的多个发光二极管(LED)。一根可选的混光棒(未示出)可作为反光板模块222的一部分，用于从多个不同颜色的LED产生单色光。灯组件208可包括曲面或小平面状的内反光面220。LED可朝向曲面或小平面状的内反光面220，从而把来自于LED的灯光导向灯的前方210，导光模式使得灯光汇聚到高照度中央区，而中央区外的照度显著降低。相对于具有高照度的中央区，中央区之外的较低照度可配置为光强降低量为最大光强的50％。相对于具有高照度的中央区，中央区之外的较低照度可配置为光强逐渐且平滑地降低。光照模式可配置为距目标位置700毫米的聚光高度处的亮度超过20000流明。具有高照度的中央区的照度在60毫米距离处可低于1200流明。该牙科手术灯以最高功率工作时，在180纳米到400纳米光谱区中的照明功率可配置为不超过0.008瓦/平方米。
本发明的灯具100允许用户设定各种色度设置，例如与日光相当的D65或模拟荧光照明，以改善牙科比色。它还允许增加热量、颜色或光强反馈，以便在产品的使用寿命期内更好地保持光的特性，并且还允许独立于颜色设置来调节光强。灯具100还可实现不同配置和形式的混色导光装置。具体而言，灯具100提供一种可由用户选择的模式，在该模式中，近紫外和蓝色波长的辐照度降低，在保证适当照明的同时不会引起紫外线固化牙科复合材料和胶粘剂的固化。通过使用LED而不是白炽灯泡，并且利用即使在大电流条件下也能保持较低LED温度的热管、带散热片的后罩以及风扇冷却功能，灯具的设计能够实现更长的使用寿命。
在另一种实施例中，导光装置250还可作为滤光器，并且布置在LED光源118的后端，从而能够在LED光源118发出的灯光向反光板116行进的过程中截获灯光。该滤光器用于消除不想要的可见光波长。而且，该灯具还可包括用于对从反光板向治疗区域反射的灯光进行过滤的遮光板，以代替与LED光源118相邻的滤光器或作为滤光器的补充，该遮光板能够滤除不需要的光波长。图14是一个牙科手术灯的实施例的正视图，该牙科手术灯包括与前支撑件241相邻的第一遮光板240和第二遮光板242。
在图10所示的另一个实施例中，利用具有反光面261的反光板260，反光面261在其整个范围内大致光滑，没有小平面，能够反射可见光和红外波长的整个光谱。反光板260可包括其上构成反光面261的铝涂层。在图11(图10中的实施例的轴线12-14方向的截面图)所示的一个例子中，反光板具有凹面结构部分263，该部分包括一层薄膜，薄膜具有通过自粘背衬层264附着到结构部分263的反光面262。在结构部分263的背面布置有附着部266，用于把结构部分263固定到灯罩的后部。结构部分263还包括对位凸台265，在把结构部分263安装到灯罩上时，该对位凸台265用于使结构部分263相对于治疗区对正。或者，图12示出了图10中的反光板260的另一个例子的截面图(轴线12-14方向的截面图)，该反光板为整体构造，包括与反光板260整体形成的附着部276和对位凸台275。在一个具体例子中，反光板260可由铝材制成，其前面经过抛光处理，形成反光面261。
虽然上述说明包含许多细节，但这些细节不应视为限制本发明的范围，而仅用于提供一些典型的实施例。类似地，能够在不脱离本发明的精神或范围的前提下设计出本发明的其它实施例。因此，本发明的范围仅由所附权利要求以及具有同等法律效力的条文来标明和限定，而不是由上述说明来标明和限定。在权利要求的含义和范围内对本文所揭示的本发明的任何补充、删减和修改都涵盖在本发明的范围之内。在不与本文中的教导矛盾的前提下，在本文中引用的任何参考文献的揭示通过完整引用结合在本发明中。

Claims (49)

1.一种用于对治疗区域进行照明以治疗患者的手术灯，适合于以可移动的方式安装在治疗区域上方的预定位置，以便医生对患者进行治疗，该手术灯包括：
具有朝向治疗区域的前部和背对治疗区域的后部的灯罩；
灯罩的前部包括向灯罩的大致中心轴线延伸的细长支撑部件；
安装在支撑部件上的LED光源，通常位于灯罩的中心轴线上，用于背对治疗区域产生和向后投射灯光，该LED光源具有朝向治疗区域的底座和背对治疗区域的透镜；
位于灯罩后部的反光板，该反光板被来自于LED光源的灯光照亮，并通过通常平行于灯罩的中心轴线的支撑部件以光束的形式向治疗区域反射灯光，以照亮治疗区域；
布置在灯罩上的散热装置，该散热装置与从反光板向治疗区域反射的光束有一定间距，因而不会阻碍光束对治疗区域照明；和
从LED光源附近位置沿支撑部件向散热装置延伸的导热管，用于把LED光源产生的热量传导到散热装置，以便从LED光源散热。
2.如权利要求1所述的手术灯，其中所述导热管为热管。
3.如权利要求1所述的手术灯，其中所述导热管是由具有高导热系数的材料制成的通常为实心的杆。
4.如权利要求1所述的手术灯，其中所述导热管为空心管，用于传送流过LED光源的冷却空气流，以吸收LED光源产生的热量，并把变热的空气导向散热装置，由散热装置向周围环境排气。
5.如权利要求4所述的手术灯，其进一步包括与空心管通过流体相通的风扇，用于驱动冷却空气流过空心管。
6.如权利要求1所述的手术灯，其中所述支撑部件从灯罩的一侧向灯罩的中心轴线延伸。
7.如权利要求1所述的手术灯，其中所述支撑部件从灯罩的一侧向灯罩的另一侧延伸，LED光源通常位于支撑部件的中心。
8.如权利要求7所述的手术灯，其中所述导热管从LED光源向灯罩的两侧延伸。
9.如权利要求1所述的手术灯，其中所述灯罩为两件式构造，具有由传热系数较低的材料构成的外壳以及带有导热管的内件。
10.如权利要求1所述的手术灯，其中所述散热装置布置在灯罩的后部。
11.如权利要求10所述的手术灯，其中所述散热装置包括多个用于导引环境气流从其通过的多个通道。
12.一种用于对治疗区域进行照明以治疗牙科或内科患者的手术灯，适合于以可移动的方式安装在治疗区域上方的预定位置，以便医生对患者进行治疗，该手术灯包括：
具有朝向治疗区域的前部和背对治疗区域的后部的灯罩；
灯罩的前部包括向灯罩的大致中心轴线延伸的细长支撑部件；
安装在支撑部件上的LED光源，通常位于灯罩的中心轴线上，用于背对治疗区域产生和向后投射灯光，该LED光源具有朝向治疗区域的底座和背对治疗区域的透镜；
位于灯罩后部的反光板，该反光板被来自于LED光源的灯光照亮，并通过通常平行于灯罩的中心轴线的支撑部件向治疗区域反射灯光，从而以预定形状和尺寸的模式照亮治疗区域；和
布置在LED光源和反光板之间的导光装置，用于从光源向反光板导引光束，其具有通常为透明的部分，该部分的截面尺寸和形状使得从反光板反射的灯光以预定形状和尺寸的模式照亮治疗区域。
13.如权利要求12所述的手术灯，其中所述导光装置包括其中具有孔眼的光学装置，该孔眼构成导光装置的通常为透明的部分。
14.如权利要求12所述的手术灯，其中所述导光装置包括具有可调光圈的光学装置。
15.如权利要求14所述的手术灯，其中所述光圈包括活动片，该活动片限定出构成导光装置的大致透明部分的孔眼。
16.如权利要求14所述的手术灯，其中所述光圈包括具有可选择性地被制成透明或不透明区域的半导体板。
17.如权利要求12所述的手术灯，其中所述导光装置是由透明材料制成的杆。
18.如权利要求12所述的手术灯，其中所述透明材料由丙烯酸或聚碳酸酯材料构成。
19.一种用于对治疗区域进行照明以治疗牙科或内科患者的手术灯，适合于以可移动的方式安装在治疗区域上方的预定位置，以便医生对患者进行治疗，该手术灯包括：
具有朝向治疗区域的前部和背对治疗区域的后部的灯罩；
灯罩的前部包括向灯罩的大致中心轴线延伸的细长支撑部件；
安装在位于灯罩的大致中心轴线的支撑部件上的LED光源，该LED光源产生具有多个可见光波长的灯光，并且背对治疗区域向后投射灯光，该LED光源具有朝向治疗区域的底座和背对治疗区域的透镜；
位于灯罩后部的反光板，该反光板被来自于LED光源的灯光照亮，并通过通常平行于灯罩的中心轴线的支撑部件向治疗区域反射灯光，以照亮治疗区域；以及
布置在LED光源和反光板之间的混光装置，该混光装置用于混合从LED光源发出的可见光波长灯光，从而把不同波长的灯光混合为在当照射到治疗区域时基本上为完全单色的一束光。
20.如权利要求19所述的手术灯，其中所述光源包括红、绿、蓝LED装置，这些装置共同产生具有多个波长的灯光。
21.如权利要求19所述的手术灯，其中所述光源包括白色LED，该白色LED产生具有多个波长的灯光。
22.如权利要求19所述的手术灯，其中所述混光装置是由透明材料制成的杆，沿其侧面形成有棱，并沿大致平行于光束方向的方向从LED光源向反光板延伸。
23.如权利要求22所述的手术灯，其中所述透明材料为丙烯酸或聚碳酸酯材料。
24.如权利要求19所述的手术灯，其中所述导光装置为全息扩散管。
25.一种用于对治疗区域进行照明以治疗牙科或内科患者的手术灯，适合于以可移动的方式安装在治疗区域上方的预定位置，以便医生对患者进行治疗，该手术灯包括：
具有朝向治疗区域的前部和背对治疗区域的后部的灯罩；
灯罩的前部包括向灯罩的大致中心轴线延伸的细长支撑部件；
安装在位于灯罩的大致中心轴线的支撑部件上的LED光源，该LED光源产生具有多个可见光波长的灯光，并且背对治疗区域向后投射灯光，该LED光源具有朝向治疗区域的底座和背对治疗区域的透镜；
位于灯罩后部的反光板，该反光板被来自于LED光源的灯光照亮，并通过通常平行于灯罩的中心轴线的支撑部件向治疗区域反射灯光，以照亮治疗区域；以及
用于在灯光照亮治疗区域之前消除灯光中不想要的可见光波长的滤光器。
26.如权利要求25所述的手术灯，其中所述光源包括红、蓝、绿LED发光装置，这些装置共同产生具有多个可见光波长的灯光。
27.如权利要求25所述的手术灯，其中所述光源包括白色LED发光装置，该装置产生具有多个可见光波长的灯光。
28.如权利要求25所述的手术灯，其中所述滤光器包括布置在灯罩前部的遮光部件，该遮光部件用于传送和过滤由反光板向治疗区反射的灯光。
29.如权利要求25所述的手术灯，其中所述滤光器包括布置在光源和反光板之间的滤光部件，该滤光部件用于传送和过滤由光源产生的灯光，并把灯光导向反光板。
30.如权利要求29所述的手术灯，其中所述滤光部件包括半导体板，该半导体板具有可被选择性地制成对具有选定的可见光波长的灯光不透明的区域。
31.如权利要求29所述的手术灯，其中所述滤光部件以可移动的方式安装，以便在第一位置和第二位置之间选择性地移动，在第一位置，该滤光部件被从光源发出并导向反光板的灯光照亮；在第二位置，该滤光部件不被从光源发出并导向反光板的灯光照亮。
32.一种用于对治疗区域进行照明以治疗牙科或内科患者的手术灯，适合于以可移动的方式安装在治疗区域上方的预定位置，以便医生对患者进行治疗，该手术灯包括：
具有朝向治疗区域的前部和背对治疗区域的后部的灯罩；
灯罩的前部包括向灯罩的大致中心轴线延伸的细长支撑部件；
安装在位于灯罩的大致中心轴线的支撑部件上的LED光源，该LED光源用于产生具有多个波长的可见光，并且背对治疗区域向后投射灯光；
位于灯罩后部的反光板，该反光板被来自于LED光源的灯光照亮，并通过通常平行于灯罩的中心轴线的支撑部件向治疗区域反射灯光，以照亮治疗区域；
把光源与电源连接的电路；
与电路配套使用的控制器，该控制器用于有选择性地控制提供给LED光源的功率等级，以控制由LED光源产生的灯光的光强；以及
被光源产生的灯光照射的光传感器，该光传感器用于检测以预定波长照射在该传感器上的灯光的强度等级，并产生将提供给控制器的光强指示信号。
33.如权利要求32所述的手术灯，其中所述光源包括红、绿、蓝LED发光装置以及对每个LED发光装置产生的灯光的强度进行控制的控制器。
34.如权利要求32所述的手术灯，其中所述光传感器检测由LED光源产生的灯光的每个红、绿、蓝波长的强度。
35.如权利要求32所述的手术灯，其中所述控制器至少部分地根据由光传感器产生的信号控制提供给LED光源的功率等级。
36.如权利要求32所述的手术灯，其中所述光源包括白色LED发光装置以及控制LED发光装置的光强的控制器。
37.一种用于对治疗区域进行照明以治疗牙科或内科患者的手术灯，适合于以可移动的方式安装在治疗区域上方的预定位置，以便医生对患者进行治疗，该手术灯包括：
具有朝向治疗区域的前部和背对治疗区域的后部的灯罩；
灯罩的前部包括向灯罩的大致中心轴线延伸的细长支撑部件；
安装在位于灯罩的大致中心轴线的支撑部件上的LED光源，该LED光源用于产生可见光，并且背对治疗区域向后投射灯光，该LED光源在产生灯光的同时还产生热量；
位于灯罩后部的反光板，该反光板被来自于LED光源的灯光照亮，并通过通常平行于灯罩的中心轴线的支撑部件向治疗区域反射灯光，以照亮治疗区域；
把光源与电源连接的电路；
与电路配套使用的控制器，该控制器用于控制提供给光源的功率等级，以控制所产生的灯光的光强；以及
与LED光源有导热关系的温度传感器，该温度传感器用于检测LED光源的温度，并产生将提供给控制器的LED光源温度指示信号。
38.如权利要求37所述的手术灯，其中所述控制器至少部分地根据由温度传感器产生的信号控制提供给LED光源的功率等级。
39.如权利要求37所述的手术灯，其中所述LED光源安装在印刷电路板上，所述温度传感器也安装在印刷电路板上。
40.如权利要求37所述的手术灯，其中所述电路包括具有安装在印刷电路板上的整流器和调压器的电能质量装置以及安装在印刷电路板上的温度传感器。
41.一种用于对治疗区域进行照明以治疗牙科或内科患者的手术灯，适合于以可移动的方式安装在治疗区域上方的预定位置，以便医生对患者进行治疗，该手术灯包括：
具有朝向治疗区域的前部和背对治疗区域的后部的灯罩；
灯罩的前部包括向灯罩的大致中心轴线延伸的细长支撑部件；
安装在位于灯罩的大致中心轴线的支撑部件上的LED光源，该LED光源用于产生灯光，并背对治疗区域向后投射灯光；
位于灯罩后部的反光板，该反光板被来自于LED光源的灯光照亮，并通过通常平行于灯罩的中心轴线的支撑部件向治疗区域反射灯光，以照亮治疗区域；以及
具有朝向治疗区域且呈大致凹面的反光面的反光板，该反光面在其整个范围内大致光滑，没有小平面，能够向治疗区域反射由LED光源产生的可见光和红外波长的整个光谱。
42.如权利要求41所述的手术灯，其中所述反光板包括其上构成反光面的铝涂层。
43.如权利要求41所述的手术灯，其中所述反光板包括具有自粘背衬层和反光面的薄膜。
44.如权利要求41所述的手术灯，其中所述反光板由铝材制成，具有经过抛光处理的前面，从而形成反光面。
45.如权利要求41所述的手术灯，其中所述反光板还包括布置在表面上的附着部分，该部分构成背面，并背对反光面，用于把反光板固定到灯罩的后部。
46.如权利要求45所述的手术灯，其中所述反光板还包括位于背面上的对位部分，该部分用于相对于治疗区域对正反光面的位置。
47.如权利要求46所述的手术灯，其中所述反光板为整体构造型，包括在反光板上整体形成的附着部分和对位部分。
48.一种用于对治疗区域进行照明以治疗牙科或内科患者的手术灯，适合于以可移动的方式安装在治疗区域上方的预定位置，以便医生对患者进行治疗，该手术灯包括：
具有朝向治疗区域的前部和背对治疗区域的后部的灯罩；
灯罩的前部包括向灯罩的大致中心轴线延伸的细长支撑部件；
安装在位于灯罩的大致中心轴线的支撑部件上的LED光源，该LED光源用于产生灯光，并背对治疗区域向后投射灯光；
位于灯罩后部的反光板，该反光板被来自于LED光源的灯光照亮，并通过通常平行于灯罩的中心轴线的支撑部件向治疗区域反射灯光，以照亮治疗区域；
安装在灯罩上的LED光源附近位置的热电式冷却装置，用于接收和消除由LED光源产生的热量；以及
用于向灯罩上的热电式冷却装置供电的电源装置，该电源装置与热电式冷却装置热隔离。
49.如权利要求48所述的手术灯，其中所述热电式冷却装置为珀尔帖型(peltier-type)冷却装置。
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