CN102893083A - 提高波长转换元件的亮度的装置 - Google Patents

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Abstract

公开一种提高波长转换元件的亮度的示范性照明装置。该照明装置包括波长转换元件，其可操作来接收来自光源的第一波长范围的光，并且将该光转换为第二波长范围。该波长转换元件包括第一面、与第一面相对的第二面以及在第一和第二面之间延伸的侧边缘。反射光学元件布置为邻近该波长转换元件的侧边缘。反射光学元件配置为朝向该波长转换元件反射至少第一波长范围的光。

Description

提高波长转换元件的亮度的装置
背景技术
解剖学上，眼睛可以被分成两个不同的部分——前段和后段。前段包括晶状体并从角膜(角膜内皮)的最外层延伸到晶状体囊的后部。后段包括晶状体囊后面的眼睛部分。后段从前透明面(hyaloid face)(玻璃体的一部分)延伸到视网膜，后透明面与视网膜直接接触。后段远大于前段。
后段包括玻璃体——透明无色的凝胶状物质。它构成了眼睛体积的大约三分之二，在出生前就给出了其形态和形状。玻璃体包括1％的胶原和钠透明质酸盐以及99％的水。玻璃体的前界面是前透明面，其接触晶状体的后囊部，同时后透明面构成其后界面并与视网膜接触。玻璃体不是像水状体一样自由流动的，并且具有正常的解剖学连接位。这些位中的一个是玻璃体基底，其是在锯状缘上面的大约3-4毫米宽的带。视神经头、黄斑以及血管弓(vascular arcade)也是连接位。玻璃体的主要作用是使视网膜处于适当位置，保持球形的完整和形状，吸收运动引起的震动，并且在后面给晶状体以支持。与水状体相反，玻璃体不是连续被替换。玻璃体随着年龄在称为脱水收缩的过程中变成更流动性的。脱水收缩导致玻璃体收缩，这可以对其正常连接位施加压力或拉力。如果施加了足够的拉力，玻璃体可从其视网膜连接拉其本身，产生视网膜裂缝或孔洞。
称作玻璃体-视网膜手术的各种外科手术通常在眼睛的后段中进行。玻璃体-视网膜手术适于处理后段的许多严重状况。玻璃体-视网膜手术治疗以下疾病，诸如年龄相关黄斑变性(AMD)、糖尿病性视网膜病以及糖尿病性玻璃体出血、黄斑裂孔、视网膜脱落、视网膜前膜、CMV视网膜炎以及许多其他眼科疾病。
外科医生利用显微镜和设计来提供后段的清晰图像的特殊透镜来执行玻璃体-视网膜手术。长度仅一毫米左右的若干微小切口形成在睫状体平坦部的巩膜上。外科医生通过切口插入微外科手术器械，例如照亮眼睛内部的光纤光源、手术期间维持眼睛形状的输液管、以及切割和去除玻璃体的器械。
在这种外科手术期间，眼睛内的适当照明是重要的。典型地，细光纤插入眼睛中以提供照明。光源，诸如卤素钨灯或高压弧光灯(金属卤化物，Xe)，可用来产生由光纤传入眼睛内的光。光穿过若干光学元件(典型地，透镜、反射镜和衰减器)，并且传输到将光传入眼睛内的光纤。弧光灯的优点是小的发射面积(＜1毫米)、接近日光的色温、以及一般比卤素灯更长的寿命(即，400小时对50小时)。弧光灯的缺点是高成本、功率随时间下降、系统的复杂性以及在系统寿命中需要换灯若干次。
为了克服卤素钨灯和高压弧光灯的一些限制，其他光源，诸如发光二极管(LED)，可用来产生通过光纤传输到眼睛中的光。可以以相当低的成本和复杂性提供基于LED的照明器，并且其显示出50,000到100,000小时的特征寿命，这使得能够在器械的整个寿命期间操作眼科纤维照明器，而只有非常小的输出下降，并且不需要更换LED。但是，LED光源通常与相当的卤素钨灯和高压弧光灯相比表现出更低的发光效率和更小的光通量。
附图说明
图1是眼睛的剖视图，示出眼睛的内部解剖结构；
图2是示范性内照明器的示意图，示范性内照明器示为照亮图1的眼睛的内部区域；
图3是可以与图2的内照明器一起使用的示范性光泵的示意性部分剖视图；
图4是使用反射光学元件和布置在波长转换元件的相反两侧的一对分色元件的示范性光泵的示意性部分剖视图；
图5是图4的示范性光泵的示意性部分剖视图，分色元件之一从波长转换元件移开；
图6是使用反射光学元件和与波长转换元件相邻地布置的分色元件的示范性光泵的示意性部分剖视图；
图7是图6的示范性光泵的示意性部分剖视图，分色元件从波长转换元件移开；
图8是采用图5的光泵和图7的光泵的特征的示范性光泵的示意性部分剖视图；以及
图9是光学耦合到光纤的示范性光泵的示意性部分剖视图。
具体实施方式
现在参考下面的论述以及附图，详细展示所公开的系统和方法的示范性方案。虽然附图表示某些可行方案，但是附图不一定是按比例的，某些特征可能被夸大、去除或部分切段以更好地图示和说明本公开。此外，于此开始的描述并不意味着是详尽的，或以其他方式将权利要求限制或约束到附图所示和下面的详细描述所公开的精确形式和结构。
图1示出眼睛20的解剖结构，其包括角膜22、虹膜24、瞳孔26、晶状体28、晶状体囊30、小带(zonule)32、睫状体34、巩膜36、玻璃体区38、视网膜40、黄斑42和视神经44。角膜22是在眼睛20的表面上的透明圆顶状结构，其作为让光进入眼睛的窗口。对应于眼睛的有色部分的虹膜24是环绕瞳孔26的肌肉，其放松和收缩以控制进入眼睛20的光量。瞳孔26是虹膜24中的圆形中心开口。晶状体28是眼睛20内的结构，其帮助将光聚焦在视网膜40上。晶状体囊30是弹性袋，其包封晶状体30，当眼睛聚焦于不同距离处的物体上时弹性袋帮助控制晶状体28的形状。小带32是将晶状体囊30连接至眼睛20内部的细长韧带，将晶状体28保持在适当位置。睫状体34是连接到晶状体28的肌肉区域，其收缩和放松以控制晶状体的大小用于聚焦。巩膜36是维持眼睛形状的眼睛20的坚韧最外层。玻璃体区域38是大的充满凝胶体的部分，位于靠眼睛20后部，帮助维持眼睛的曲率。视网膜40是在眼睛20后部的光敏神经层，其接收光并且将其转换为信号发送到大脑。斑点42是在眼睛20后部的区域，其包括用于发现所见图像中的精细细节的感受器。视神经44将信号从眼睛20传输到大脑。
参见图2，示出了用于照亮眼睛20内部的眼科内照明器46穿过巩膜36插入玻璃体区域38中。内照明器46可包括手持件48和探针50。探针50可通过巩膜36中的切口插入眼睛20中。探针50可以包括光纤线，用于在各种眼内手术诸如玻璃体-网膜外科手术期间传输来自光源的光以照亮眼睛20的玻璃体区域38内部。内照明器46可以使用多种光源，诸如卤素钨灯、高压弧光灯(金属卤化物，Xe)以及发光二极管(LED)。光泵可以与内照明器46一起使用以帮助提高光的亮度，尤其是当利用LED光源时。图3-9示出了可以与内照明器46一起使用的光泵的各种构造。
参见图3，光泵52可以包括接收来自光源56的光的波长转换元件(WCE)54。波长转换元件54可以具有大致平坦的板状结构，虽然也可以使用其它形状，例如，以适应生产条件限制或优化光学性能。第一分色元件60布置为邻近波长转换元件54的第一侧面58，第二分色元件64布置为邻近波长转换元件54的第二侧面62。在所示的示范性结构中，分色元件60和64示为接合波长转换元件54，但是分色元件之一或二者可以与波长转换元件间隔开。光泵52还可以包括沿波长转换元件54的侧边缘68布置的反射光学元件66。反射光学元件66可以接合波长转换元件54，如图3所示，或者可以与波长转换元件54间隔开。
光源56可包括一个或多个单色LED，其配置为在较窄波长范围内发光，例如紫外光(UV)、紫光或蓝光。当利用单色LED时，光源56产生的较窄光带一般不适于照明。为了产生具有更宽波长范围的光，来自光源56的光的至少一部分被引导到波长转换元件54上，在那里光被转换为具有更宽波长范围的光。
波长转换元件54可具有各种结构。术语“波长转换元件”在此使用时一般是指由能够将特定范围电磁波谱内的电磁辐射转换到电磁波谱内的另一范围的材料形成的任何结构，该转换包括但不限于从高能光子(例如，粒子射线、x射线、紫外线和低波长可见光)到低能光子的降频转换，或者从低能光子(例如，红外线、近红外线或可见红光)到高能光子的升频转换。可以使用任何合适类型的用于产生照明的波长转换元件。根据波长转换元件54所用的材料类型，用于转换的发光过程可以基于慢发射(磷光)或快发射(荧光)。
为方便起见，具有由光源56产生的范围内的波长的光在下文中称为“未转换光”，而具有由波长转换元件54产生的范围内的波长的光在下文中称为“已转换光”。此外，具有由光源56产生的范围内的波长的光(即，未转换光)在所有附图中由实线表示，具有由波长转换元件54产生的范围内的波长的光(即，已转换光)在所有附图中由虚线表示。
波长转换元件54可用于例如将来自光源56的UV/紫/蓝光照射通过荧光或磷光转换为宽波段光或白光。荧光/磷光通常发生在所有方向(即，各向同性地)，而不是沿特定光束路径(即，定向地)。此外，不是从光源56到达波长转换元件54的所有未转换光都被转换到期望的波长范围。而是，部分光可能被朝向光源56往回反射，或者可能完全穿过波长转换元件54。这些现象都降低了光泵52的工作效率。光泵52的工作效率可以通过使用分色元件60和64以及反射光学元件66来改善。
为帮助改善波长转换元件54的转换效率，第一分色元件60可配置为允许来自光源56的未特换光穿过第一分色元件60到波长转换元件54，并且将已转换光反射回到波长转换元件54上。第二分色元件64可配置为允许已转换光穿过分色元件64，并且将未转换光反射回到波长转换元件54上。此外，反射光学元件66可以配置为宽波带反射器，将已转换光和未转换光两者都反射回到波长转换元件54上。分色元件60和64以及反射光学元件66一起用来帮助防止未转换光逃逸出波长转换元件54，从而可以增加波长转换元件54的转换效率。通过最小化从波长转换元件54的侧边缘68和第一侧面58发射(即，朝向光源56)的已转换光的量，第一分色元件60和反射光学元件66还一起用来帮助引导已转换光从波长转换元件54的前面出来(即，远离光源56)。
参见图4，示出另一构造的光泵152。光泵152可包括更好地控制从光泵152发射的已转换光束的大小和方向的特征。光泵152可以配置为类似于图3所示的光泵52，除了反射光学元件166取代反射光学元件66(图3)之外。反射光学元件166可配置为将已转换光和未转换光两者都反射回到波长转换元件54上的宽波段反射器。光泵152还包括波长转换元件54以及分色元件60和64，其每个都以与前面关于光泵52(图3)描述的相同的大体方式配置和操作。
反射光学元件166可以具有相对于波长转换元件54大致凹陷形状。反射光学元件166包括近端168和相对远端170。近端168可以沿光泵152的光轴172轴向布置在波长转换元件54的大致附近或超过它。远端170可沿光轴172布置在离波长转换元件54比近端168与波长转换元件54之间的距离更大的距离处。由于反射光学元件166的曲率，近端168和光轴172之间的距离大于远端170和光轴172之间的距离。第二分色元件64可沿光轴172设置在反射光学元件166的近端168和远端170之间。
参见图5，示出另一配置的光泵252。光泵252可配置为类似于图4所示的光泵152，除了第二分色元件264可取代第二分色元件64(图4)之外。第二分色元件264可配置为允许已转换光穿过分色元件264，并且将未转换光反射回到波长转换元件54上。光泵252还包括波长转换元件54、第一分色元件60(图4)和反射光学元件166(图4)，其每个都以与前面关于光泵152(图4)描述的相同的大体方式配置和操作。
第二分色元件264可具有相对于波长转换元件54大致凹陷的形状。第二分色元件264一般从波长转换元件54移开，这样分色元件没有部分与波长转换元件54接触。在图5所示的示范性构造中，基本上整个第二分色元件264位于比反射光学元件166的远端170离波长转换元件54更远的距离处。第二分色元件264也可以相对于反射光学元件166的远端170位于沿光轴272的其它位置处，可包括离波长转换元件54更近或更远的位置。例如，第二分色元件264的全部或一部分可以沿光轴272位于波长转换元件54和反射光学元件166的远端170之间。第二分色元件264的大小可以形成为不交叠反射光学元件166，如图5所示，或者可以形成为交叠反射光学元件166，在这种情况下，第二分色元件264的端部266将在比反射光学元件166的远端170离光轴272更远的距离处。
参见图6，示出另一配置的光泵352。光泵352可以包括更好地控制来自光源56的光到达第一分色元件60的入射角并且增加到达波长转换元件54的未转换光的量的特征。光泵352可以配置为类似于图3所示的光泵52，除了反射光学元件366取代反射光学元件66(图3)之外。光泵352还可包括波长转换元件54和第一分色元件60，其每个都以与前面关于光泵52(图3)描述的相同的大体方式配置和操作。虽然图6未示出，但是光泵352还可包括第二分色元件64，其以与前面描述的相同的大体方式配置和操作。
分色光学元件，例如第一分色元件60，一般具有有限的入射角范围，在该范围内到达分色元件的光将被允许通过光学元件。以容许范围以外的入射角到达的光一般将被反射离开分色元件。例如，在图6中，以小于θL的入射角到达第一分色元件60的来自光源56的未转换光将穿过第一分色元件60到达波长转换元件54。以大于θL的入射角到达的未转换光将被反射离开第一分色元件60，不到达波长转换元件54。反射光学元件366可用于将反射的未转换光重新引导回到分色元件60。反射光学元件366可以配置为仅反射未转换光，或者可配置为将已转换光和未转换光两者都反射回到第一分色元件60上的宽波段反射器。
反射光学元件366可以具有相对于波长转换元件54大致凹陷的形状。反射光学元件366包括近端368和相对的远端370。近端368可以沿光泵352的光轴372轴向布置在波长转换元件54的大致附近。远端370可以沿光轴372布置在离波长转换元件54比近端368到波长转换元件54的距离更大的距离处。由于反射光学元件366的曲率，近端368到光轴372的距离大于远端370到光轴372的距离。第一分色元件64可以沿光轴372位于反射光学元件166的近端368和远端370之间。
参见图7，示出另一配置的光泵452。光泵452可以配置为类似于图6所示的光泵352，除了第一分色元件460可以取代第一分色元件60(图6)之外。第一分色元件460可以配置为允许未转换光穿过分色元件460，并且将已转换光反射回到波长转换元件54上。光泵452还包括波长转换元件54和反射光学元件366(图6)，其每个都以与前面关于光泵352(图6)描述的相同的大概方式配置和操作。波长转换元件54可贴附到光学透明支承构件454。虽然图7未示出，但是光泵452还可以包括第二分色元件64，其基本以与前面描述的相同的方式配置和操作。
第一分色元件460可以具有相对于波长转换元件54大致凹陷的形状。第一分色元件460一般从波长转换元件54移开，从而分色元件没有部分接触波长转换元件54。在图7所示的示范性结构中，基本上整个第一分色元件460位于比反射光学元件366的远端370离波长转换元件54更远的距离处。第一分色元件460也可以位于相对于反射光学元件366的远端370沿光轴472的其它位置处，可包括离波长转换元件54更近或更远的位置。例如，第一分色元件460的全部或一部分可以沿光轴472位于波长转换元件54和反射光学元件366的远端370之间。第一分色元件460的大小可形成为不交叠反射光学元件366，如图7所示，或者可形成为交叠反射光学元件366，在该情况下，第一分色元件460的端部466将在比反射光学元件366的远端370离光轴472更远距离处。
参见图8，示出另一配置的光泵552。光泵552结合了光泵252(图5)和光泵452(图7)的特征。每个光学元件可以如前面关于光泵252和光泵452大体描述的那样配置和操作。光泵552的光轴572对应于光泵252的光轴272和光泵452的光轴472。
参见图9，示出了将光泵662连接到内照明器46的光纤664的机构。光泵662可以包括多种结构。在一示范性结构中，光泵662配置为类似于光泵352(图6)，并且可以包括波长转换元件54、第一分色元件60、第二分色元件64和反射光学元件366，其每个以前述大体方式配置和操作。
第一分色光学元件60可配置为通过来自光源56的未转换光且将已转换光反射回到波长转换元件54上。第二分色光学元件64可配置为通过从波长转换元件54发射的已转换光且将未转换光反射回到波长转换元件54上。反射光学元件366可用于将来自第一分色光学元件60的所反射的未转换光重新引导到分色元件60。反射光学元件366可以配置为仅反射未转换光，或者可以配置为将已转换光和未转换光两者都反射回到第一分色元件60上的宽波段反射器。
光泵662可以包括位于第二分色元件64和光纤664之间的入射角敏感元件666。入射敏感元件666可以配置为阻断从第二分色元件64离开的、入射角超过预定界限的已转换光的通过。光纤664包括最大发射角668，其是相对于光纤轴668的角度，光可以以该角进入光纤并沿其长度行进。可以基于光纤的最大接受角确定光纤664的数值孔径(NA)。入射敏感元件666可以配置为具有与光纤664的数值孔径相适应的数值孔径，这将帮助确保从入射敏感元件666离开的光能够进入光纤664并且在光纤664内行进。
将理解，这里描述的示范性亮度增强装置具有广泛的应用。选择和描述前述结构是为了示范方法和装置的原理以及某些实际应用。前面的描述使得本领域其他技术人员能够以各种结构和各种修改利用方法和装置，如适于所构思的特定使用那样。按照专利法规的规定，已经以示范性结构说明和图示了所公开的插接站(docking station)的原理和操作方法。
本方法和装置的范围旨在由以下权利要求定义。但是必须理解，很清楚，所公开的对接站(docking station)可以以具体说明和示范不同的其他方式实践而不偏离其思想或范围。本领域技术人员应理解，在此描述的结构的各种替代可用于实践权利要求而不脱离下面的权利要求中所定义的精神和范围。所公开的插接站(docking station)的范围应不参考以上描述而确定，而是应该代替地参考所附权利要求以及这些权利要求的等价物的完全范围而确定。预期并意图的是，未来发展将发生在所论述的技术中，而且所公开的系统和方法将结合到这种未来例子中。此外，权利要求中所用的所有术语旨在具有它们最宽的合理解释和它们的普通含义，如本领域技术人员所理解的那样，除非在此给出了明确的相反指示。尤其是，单数冠词的使用，例如“一个”、“该”、“所述”，等等，应该理解为描述一个或多个所指示的元件，除非权利要求描述了相反的明确限制。下列权利要求旨在限定装置的范围，在这些权利要求和它们的等价物的范围内的方法和装置被该范围涵盖。总而言之，应理解，装置能够修改和变化，仅由下列权利要求限定。

Claims (24)

1.一种照明装置，包括：
波长转换元件，该波长转换元件操作来接收来自光源的第一波长范围的光，并且将该光转换为第二波长范围，该波长转换元件具有第一面、与第一面相对的第二面以及在该第一和第二面之间延伸的侧边缘；以及
反射光学元件，邻近该波长转换元件的侧边缘布置，该反射光学元件配置为朝向该波长转换元件反射回至少第一波长范围的光。
2.如权利要求1所述的照明装置，其中，该反射光学元件包括沿该照明装置的光轴布置在第一轴点的第一区域和沿该照明装置的光轴布置在第二轴点的第二区域，从该第一轴点到该波长转换元件的沿光轴的距离小于从该第二轴点到该波长转换元件的沿光轴的距离，从该第一轴点到该反射光学元件的第一区域的距离大于从该第二轴点到该反射光学元件的第二区域的距离。
3.如权利要求2所述的照明装置，还包括邻近该波长转换元件布置的分色元件，该反射光学元件包括近端和相对的远端，从该反射光学元件的远端到该波长转换元件的沿光轴的距离大于从该反射光学元件的近端到该波长转换元件的沿光轴的距离，其中基本整个分色元件设置在该波长转换元件和该反射光学元件的远端之间。
4.如权利要求3所述的照明装置，其中，该分色元件配置为阻断具有第一波长范围和第二波长范围之一的光的通过，并且允许剩余波长范围的光的通过。
5.如权利要求3所述的照明装置，其中，该分色元件的至少一部分接合该波长转换元件。
6.如权利要求2所述的照明装置，还包括邻近该波长转换元件布置的分色元件，该反射光学元件包括近端和相对的远端，从该反射光学元件的远端到该波长转换元件的沿光轴的距离大于从该反射光学元件的近端到该波长转换元件的沿光轴的距离，其中该分色元件的至少一部分沿光轴设置在离该波长转换元件比从该波长转换元件到该反射光学元件的远端沿光轴的距离更大的距离处。
7.如权利要求6所述的照明装置，其中，该分色元件配置为阻断具有第一波长范围和第二波长范围之一的光的通过，并且允许剩余波长范围的光的通过。
8.如权利要求2所述的照明装置，还包括：
第一分色元件，布置为邻近该波长转换元件的第一面，该第一分色元件配置为允许第一波长范围的光通过，并且阻断第二波长范围的光的通过；
第二分色元件，布置为邻近该波长转换元件的第二面，该第二分色元件配置为阻断第一波长范围的光的通过，并且允许第二波长范围的光的通过；且
其中，该波长转换元件布置在该第一和第二分色元件之间。
9.如权利要求8所述的照明装置，还包括邻近该第二分色元件布置的入射角敏感元件，该入射角敏感元件配置为允许以小于或等于预定入射角的角度入射该入射角敏感元件的光通过，并且阻断以大于该预定入射角的角度入射的光通过。
10.如权利要求1所述的照明装置，其中，该反射光学元件的至少一部分接合该波长转换元件。
11.如权利要求1所述的照明装置，其中，基本整个该反射光学元件从该波长转换元件移开。
12.如权利要求1所述的照明装置，其中，该反射光学元件配置为朝向该波长转换元件反射回第二波长范围的光。
13.如权利要求1所述的照明装置，其中，该反射光学元件包括相对于该波长转换元件凹陷的区域。
14.一种照明装置，包括：
波长转换元件，该波长转换元件操作来接收来自光源的第一波长范围的光，并且将该光转换为第二波长范围，该波长转换元件包括用于接收来自光源的光的第一面、与该第一面相对的第二面以及在该第一和第二面之间延伸的侧边缘；
邻近该波长转换元件的第一面布置的第一分色元件；
邻近该波长转换元件的第二面布置的第二分色元件；以及
邻近该波长转换元件的侧边缘布置的反射光学元件，该反射光学元件配置为朝向该波长转换元件反射第一波长范围的光和第二波长范围的光中的至少一种。
15.如权利要求14所述的照明装置，其中，该第一分色元件配置为通过第一波长范围的光并且反射第二波长范围的光。
16.如权利要求15所述的照明装置，其中，该第一分色元件布置在光源和该波长转换元件之间。
17.如权利要求14所述的照明装置，其中，该第二分色元件配置为通过第二波长范围的光并且反射第一波长范围的光。
18.如权利要求17所述的照明装置，其中，该波长转换元件布置在光源和该第二分色元件之间。
19.如权利要求14所述的照明装置，其中，该第一分色元件和该第二分色元件之一接合该波长转换元件，并且剩余的分色元件设置为离开该波长转换元件。
20.如权利要求14所述的照明装置，其中，该第一和第二分色元件都接合该波长转换元件。
21.如权利要求14所述的照明装置，其中，该第一和第二分色元件都设置为离开该波长转换元件。
22.如权利要求14所述的照明装置，其中，该反射光学元件接合该第一和第二分色元件中的至少一个。
23.如权利要求14所述的照明装置，其中，基本整个该反射光学元件从该波长转换元件移开。
24.如权利要求14所述的照明装置，其中，该反射光学元件包括相对于该波长转换元件凹陷的区域。
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