CN103781250B - 自动调色led医用冷光源 - Google Patents

Abstract

自动调色LED医用冷光源由主控器、亮度调节器、红光调节器、绿光调节器、蓝光调节器、红光驱动器、绿光驱动器、蓝光驱动器、光记忆跟踪器、白光检测调节器、电源管理器、LED灯检测与转换器、二组LED灯(主LED灯和副LED灯)、指示电路组成。具有节能、环保、使用寿命长、光源优等LED灯特点，并能实现白光检测与调节、光记忆跟踪、显色性调节、电源管理、LED灯检测与转换的功能，实现人工调节控制和自动调节控制，能保证满足不同的人和设备的需要。

Description

自动调色LED医用冷光源

技术领域

本发明涉及医用冷光源，更具体的说，是一种自动调色LED医用冷光源。

背景技术

LED灯具有节能、环保、安全、寿命长、能耗低、发热少、亮度高、防水、防振、易调光、光束集中、维护方便等诸多独特的优点。LED灯管中有一类属高指向型灯管，它具有很强的指向性和发光源小等特性，能作为局部照明光源使用，能与光检出器联合使用，以组成自动控制系统。医用冷光源是一种特殊的局部照明光源，它就是需要指向性很强的光源，并且发光源越小越好；光强度调节方便、安全等特殊要求。对照医用冷光源的要求和LED灯所具有的特性二者非常相符，所以从光源的特性方面用LED灯来替代现有医用冷光源灯泡是非常理想的。

对光源另一个要求是光的质量即光的颜色，医用冷光源要求的是白光。白光是一个特别的颜色，可由非常多的可见光谱组合来产生。LED能产生多种颜色的光，白色光只是其中的一类。白光发光二极管WLED之优点为体积小、高效能、寿命长、节能环保等，未来将取代现代传统灯源成为二十一世纪照明新光源，主要制作方式可分为两类，其中一类为单芯片，其搭配荧光粉产生白光；另一类为多芯片型，借由透镜混合红、绿、蓝三芯片之发光二极管并产生白光，优点为可调整所需要之光色，其有高演色性。在一般的情况下来说，因三色LED所需材料、系统、驱动电压、温度与光衰减率有所差异，且需三套电路设计分别控制电流，造成设计复杂，生产成本增加。三芯片型需三套电路设计分别控制电流或电压，在一些场所是其不理想之处，但对特殊光源的医用冷光源不单不是缺点，相反正是其所需要的；三芯片的LED灯的成本对医用冷光源来说与现有的医用冷光源灯泡的价格相比还是大大的减少。现行的医用冷光源灯泡最低的也要数十元，一般的在几百到几千元，有的甚至要上万元；使用寿命从几十小时到几百小时。用LED灯来代替现有医用冷光源灯泡不单成本不增加，还能有节省，并延长使用寿命；能实现光色的自动调整。

和单个光源相比LED光源也存在其自身的缺点，LED的电压降取决于内部发射所需要跃过的能量势垒，能量势垒由颜色决定，即电压降也取决于发光颜色，由于生产过程的差异，使得每一个LED的波长不尽相同，造成电压降上的差异。当温度增加时，由于一些与温度相关之因素，LED的发光强度亦随之减弱，在固定电流或电压操作条件下，蓝光LED的特性温度最高，绿光LED中之，而红光LED则是最低。两个LED之间的温度不同也会带来颜色上的不同，并且造成电压降的差异。但是利用各自的调节电路就可以克服三色光对温度变化带来的差异，即三色光可得到一定的补偿。

LED医用冷光源作为普通照明一种特殊的光源的，它更注重光通量、光束的空间分布、颜色、显色特性等参数。

光源的显色性是指：在光源的光照下所呈现出来的颜色与该物件在完全太阳光和白炽灯的照射下显示出来真实颜色，但当物体在非连续光谱的气体放电灯的照射下时颜色就会有不同程度的失真，把光源对物体的真实颜色的呈现程度。医用冷光源对光源的显色特性要求高于其它光源。对其显色性越高越好、光束越集中越好、光通量越稳定越好。

发明内容

作为特殊光源的医用冷光源，它的主要功能是提供适当的亮度和可靠的显色性能。医用冷光源提供的光源要适应医护人员对实物能区分各组织的分界线等微细变化。医护人员利用冷光源观察组织有二种：1、直接观看，即用肉眼直接观看；2、间接观看，即从显示器中观看。由于光源质量的原因能影响观察的效果，同时由于人们眼睛和摄像与显示器的原因也能影响观察的效果。人体组织微细区分在诊断、手术中，非常重要，所以作为医用冷光源，不但要能提供性能可靠的光源，也能适应不同人的需求，故医用冷光源不但要能提供质量可靠的可调节光强度，也要能根据具体情况进行调节光显色性。

人类视觉系统主要的感觉器官是眼睛，在眼球内布满了视网膜，那是眼睛的感光部分，视网膜中央窝是一个富含有锥细胞与杆细胞的核心区域，使得视觉中心对光有高敏锐度。物体表面反射或透射某些特定光波成为视觉刺激的来源，眼睛是这些刺激的接收器，能对反射光波产生反应并做成视觉讯号，这些记号传递至大脑经过分析释义以影响观者的意识与行为表现。大多数可见光的接收器就是人类眼睛，而人眼的敏感度与亮度都会受到眼球构造与视觉特性影响。

视网膜由许多感光细胞构成，依形状可分为杆状细胞与锥状细胞。锥状细胞的主要功能在感受颜色，活跃于白昼等亮度较高的情况，杆状细胞仅接收光量，无法辨别颜色及细部，其所感受的黑白影像，无法辨别颜色，运作于夜晚等亮度较差的情况。锥状细胞有三种，分别对红光、绿光和蓝光光谱范围敏感。锥状细胞可依光色素的不同分为三种受器，分别接收可见光谱对应的红、绿、蓝三色。人眼所见的物体颜色即依三受器细胞所接收光能量的相对强度组合成我们所能感觉的色彩范围。

人的视觉辨别力与听觉辨别力有很大的差异，外来光源会导致眼睛构造中红色、绿色、蓝色锥细胞受到不同程度的刺激，产生各种颜色的感受，然而每个人对于颜色与光通量的知觉程度其有差异性，所以即使在相同条件下，每个人感受到的颜色不同；就个人而言在不同的光强度下感受到的颜色也有区别。总之人们对颜色的反应有很大的不同，多种情况影响人们对颜色的分辨。

利用多种光源进行混色的方式已被广泛的应用在许多领域中，以红、绿、蓝三原色光等比例混合结果为白光作为基础，利用不同的比例混合就能得到所想要的颜色。例如LED显示器就是以红光、绿光、蓝光三种颜色的LED当作光源，当这三种颜色的LED混合之后可产生各式各样的颜色。人的眼睛受器也是红、绿、蓝三种和LED的红光、绿光和蓝光正好相对应，所以用LED作为医用冷光源的光源是非常有效的。

物体的颜色真实性在人脑在得到真正的反映，受到一些外界因素的影响，首先是光源，其次是光强度和光显色性，最终是人的眼睛，如通过摄像显示，则又受摄像头、显示器等因素的干扰。所以医护人员在医疗过程中运用医用冷光源时，对其要求各有不相同。同一人使用同一光源，调节光强度就可影响其分辨程度；或使用不同的摄像显示系统也可影响其分辨程度；反之不同的人使用同一光源、同一光强度和显色性、同一摄像显示系统也可影响其分辨程度，故不同的人、不同的光源、不同的摄像显示系统等因素决定其的分辨率。

医用冷光源主要作为内窥镜和腔镜内窥镜手术的光源，在使用中经常发现由于调节光强度就能影响到对手术组织的分辨率。现在内窥镜和腔镜一般均使用摄像显示系统，故医护人员是通过显示器来观察组织，为保证分辨率不受光源调节的影响和不同的使用者对颜色的反应性不同，LED医用冷光源应能调节其显色性；另外，LED灯由于温度的变化也影响其亮度，而当使用红、绿、蓝作为三原色时，在温度和光强度改变时，红光、绿光和蓝光的光强度改变是不一致的，这样就影响混合光的质量(色彩)，从而影响医护人员的观察。为了克服这些不利的因素，能适应和克服各种影响、干扰因素，提供一种能作出自动调整、保证分辨率的自动调色LED医用冷光源。

为了能适应临床的需求，自动调色LED医用冷光源要有几个功能：1、可调节光强度：2、可调节光色度：3、可调节光显色性：4、人对光色最为敏感；5、能自动跟踪设定的光色。6、有应急性。

根据医用冷光源的功能要求自动调色LED医用冷光源由主控器、亮度调节器、红光调节器、绿光调节器、蓝光调节器、红光驱动器、绿光驱动器、蓝光驱动器、光记忆跟踪器、白光检测调节器、电源管理器、LED灯检测与转换器、主LED灯和副LED灯、指示电路组成。主控器的输入端接入亮度调节器、红光调节器、绿光调节器、、蓝光调节器；主控器的输出端接入红光驱动器、绿光驱动器、蓝光驱动器、指示电路；光记忆跟踪器、白光检测调节器、电源管理器、LED灯检测与转换器同时接入主控器的输入和输出两端。LED灯检测与转换器由LED灯检测电路和转换电路组成，同时连接红光驱动器、绿光驱动器、蓝光驱动器、主LED灯、副LED灯。电源管理器由供电管理电路和充电管理电路组成。光记忆跟踪器由光参数固定电路和光检测电路组成。白光检测调节器由红光检测调节、绿光检测调节和蓝光检测调节三部分组成。LED灯由红、绿、蓝三芯片的驱动电路调节，灯座采用多脚插针。光强度输出调节控制分人工调节控制和自动调节控制二种。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的电路结构示意图。

图1中：1、主控器；2、红光驱动器；3、绿光驱动器；4、蓝光驱动器；5、亮度调节器；6、红光调节器；7、绿光调节器；8、蓝光调节器；9、光记忆跟踪器；10、白光检测调节器；11、电源管理器；12、LED灯检测与转换器；13、主LED灯；14、副LED灯；15、指示电路。

具体实施方式

1、光源的采用：

根据人眼睛视觉细胞为红、绿、蓝三种受器，LED也选用红、绿、蓝三色组成LED灯光源。人眼睛的红、绿、蓝三种受器直接接受LED灯的红、绿、蓝三种光，并直接处理，其敏感性最强：由红色光、绿色光与蓝色光按不同的比例可组合成各种颜色的光源，可由微机控制红、绿、蓝三色光的不同比例组成所需的光源，实现联动自动调节。

2、LED灯选用：

大功率LED灯杯具有高性价比，长寿命，免维护，发热量更低，主要特点有：优秀的柔光技术，使LED光源扩展为面光源，消除眩光，视觉疲劳，提升视觉效果；LED射灯采用二次光学透镜，其作用是聚光、防护、美观、避免了光的重复浪费，使出光率比普通LED提高10％以上。医用冷光源的光源LED灯选用MR即多面反射灯杯，采用红、绿、蓝三芯片的驱动调节电路，灯座采用多脚插针，方便更换和调节。

3、白色光的组合与光调节：

总光源的强度等于红光、绿光和蓝光之和，光颜色由红光、绿光与蓝光的比例所决定。白色光组成由主控器(1)控制红、绿、蓝光的输出比例，白光检测调节器(10)可测量白光实际的组成成分。白光检测调节器(10)由红光、绿光和蓝光检测调节三个部分组成，分别检测红光、绿光和蓝光的输出强度，测量结果反馈给主控器(1)后，再经对比、计算作出相应的对应处理，使其输出合格的白色光。由于红光、绿光、蓝光当驱动电压或电流同步变化时，红光、绿光、蓝光输出光强度变化量不同，故在总光强度经调节后输出的光源颜色也有所改变；另外，在因温度等外部因素改变时，红光、绿光、蓝光输出光强度变化量各不同，所以在正常使用中光源产生的光色也会有一定的改变。为能固定已经设定的光色就需要固定其数据，光记忆跟踪器(9)由光参数固定电路和光检测电路组成，光参数固定电路能将设定的光组成值固定，通过光检测电路自动跟踪，满足输出设定的值。在选择适合的光强度后如需进行自动跟踪可选用光记忆跟踪器(9)实行光自动跟踪，实现光的自动跟踪调整。光记忆跟踪器(9)的检测部分和白光检测调节器(10)中的检测部分相同，也由红光、绿光和蓝光检测三个部分组成，将检测到的红光、绿光、蓝光的值传给主控器(1)，由主控器(1)与原定的红光、绿光、蓝光的值作一一比较，如有误差经主控器(1)作出相应的指令，进行适当的补偿，保证光输出和原设定值一样。光记忆跟踪器(9)的检测部分可用白光检测调节器(10)中的检测部分来替代不要重新设计。

光源的最佳显色性，是对大多数人而言，不是对所有的人都一样。因人的眼睛视觉细胞反应不一致，不是每个人对颜色都是在白光时是最佳光源，可适当的微调红光或绿光或蓝光取得最佳光源，即用光源的显色性(光源的颜色)来补偿人眼睛对颜色差异。如在白色光经自动处理后，使用者感觉仍不太满意时可选用手动调节，人工调节红光调节器(6)或绿光调节器(7)或蓝光调节器(8)对红光或绿光或蓝光的输出强度进行调节，使其达到最佳程度时，再选用光记忆跟踪器(9)实行光自动跟踪自行设定的光源。

选用光记忆跟踪器(9)后亮度调节器(5)和红光调节器(6)、绿光调节器(7)与蓝光调节器(8)均不能调节，如需要调节只能放弃自动跟踪后才能进行人工调节。

4、三原色的控制与调节：

红、绿、蓝三色的光强度一方面受白光检测调节器(10)和亮度调节器(5)的调节，另一方面还受红光调节器(6)、绿光调节器(7)、蓝光调节器(8)各自的调节输出光的强度。白光检测调节器(10)和亮度调节器(5)保证输出符合要求的白色光，能实现自动调节；由于人的差异性和摄像与显示的差异，为满足不同的需求，红、绿、蓝光强度在一定的程度上可进行调节，调整红光、绿光、蓝光实际输出的强度，由红光调节器(6)、绿光调节器(7)、蓝光调节器(8)分别控制。

5、电源管理电路：

为增加医用冷光源的应急性，防止因外部电源的因素影响自动调色LED医用冷光源的使用。在自动调色LED医用冷光源使用时电源管理器(11)一方面自动检测电源供给状况，由供电管理电路负责完成。外部电源供给正常时由外部电源供给，外部电源异常时则自动转换为内部电源供给；另一方面管理充电电池，由充电管理电路负责完成。平时根据充电电池的电量情况进行充电，当医用冷光源在使用时因故无外部电源或外部电源不正常时，电源管理器转换电源供给，充电电池即时给主控器(1)提供电源，保证医用冷光源的正常供电。

6、LED灯检测与转换电路：

LED灯使用寿命是比较长但也有其损坏，作为特殊光源的自动调色LED医用冷光源是要防止出现这样情况，故医用冷光源采用二组LED灯即主LED灯(13)和副LED灯(14)作为发光源，LED灯检测与转换器(12)由LED灯检测电路和转换电路二部分组成，LED灯检测电路自动检测LED灯的状况，给其中的一组LED灯提供工作电源，使其发光；另一组处在备用状态。若在工作中的一组LED灯因故不能正常工作，转换电路则工作，进行二组LED灯间的转换，工作状态的LED灯转为备用状态，备用状态的LED灯转为工作状态。

7、指示电路：

指示电路(15)根据自动调色LED医用冷光源实际使用状况能进行相关的指示，如光源强度、红、绿、蓝光强度、供电情况(外部电源或内部电源和充电状况)、二组LED灯、光控状况(自动与手动)。

8、控制电路：

自动调色LED医用冷光源的控制单元为：主控器(1)。主控器(1)由微处理器为核心组成，接收来自输入端：亮度调节器(5)、红光调节器(6)、绿光调节器(7)、蓝光调节器(8)的信号，并根据输入的信号值作出对应的处理，经输出端：红光驱动器(2)、绿光驱动器(3)、蓝光驱动器(4)控制调节输出值，同时给指示电路(15)作出相应指示；白光检测调节器(10)、LED灯检测与转换器(12)、电源管理器(11)、光记忆跟踪器(9)分别接主控器(10)的输入和输出二端，一方面接收主控器的指令工作，另一方面也将所检测的数据反馈给主控器(1)，主控器(1)则根据反馈的数据进行分析处理后，再作出相关指令，进行必要的调整。

自动调色LED医用冷光源工作过程：首先进行亮度调节和白光检测与调整，使其输出适当强度与合格的白色光，如采用自动跟踪时选择自动记忆跟踪器，进行全过程的白色光自动跟踪调节，输出光保持不变，在自动检测跟踪状况下，总亮度各红、绿、蓝色光均不能进行手动调节；人工调节状态下，即不启动光记忆跟踪器(9)时自动调色LED医用冷光源可进行总亮度和红、绿、蓝色光的手动调节其输出强度，以满足不同人的需要。电源自动检测电路随时检测外部电源状况，在外部电源正常时由外部电源供电，反之转换为充电电池供电。灯检测电路检测二个LED灯的状况选择一个LED灯工作，如发现在用工作的LED灯出现异常则进行转换。指示电路跟踪指示自动调色LED医用冷光源的工作状况。红光驱动器(2)、绿光驱动器(3)、蓝光驱动器(4)的输出端经过LED灯检测与转换器(12)给主LED灯提供工作电源。

Claims (6)

1.一种自动调色LED医用冷光源，其特征在于，由主控器、亮度调节器、红光调节器、绿光调节器、蓝光调节器、红光驱动器、绿光驱动器、蓝光驱动器、光记忆跟踪器、白光检测调节器、电源管理器、LED灯检测与转换器、主LED灯和副LED灯、指示电路组成，主控器的输入端接入亮度调节器、红光调节器、绿光调节器、蓝光调节器；主控器的输出端接入红光驱动器、绿光驱动器、蓝光驱动器、指示电路；光记忆跟踪器、白光检测调节器、电源管理器、LED灯检测与转换器同时接入主控器的输入和输出两端；LED灯检测与转换器同时连接红光驱动器、绿光驱动器、蓝光驱动器和主LED灯、副LED灯；光记忆跟踪器由光参数固定电路和光检测电路组成，光参数固定电路能将设定的光组成值固定，通过光检测电路自动跟踪，满足输出设定值。

2.如权利要求1所述的自动调色LED医用冷光源，其特征在于，白光检测调节器由红光检测调节、绿光检测调节和蓝光检测调节组成，分别检测调节红光、绿光、蓝光实际输出的强度。

3.如权利要求1所述的自动调色LED医用冷光源，其特征在于，LED灯采用红、绿、蓝三芯片的驱动调节电路，灯座采用多脚插针。

4.如权利要求1所述的自动调色LED医用冷光源，其特征在于，电源管理器由供电管理电路和充电管理电路组成，供电管理电路自动检测电源供给状况，实现交直流电转换，充电管理电路管理充电电池的充电。

5.如权利要求1所述的自动调色LED医用冷光源，其特征在于，LED灯检测与转换器由LED灯检测电路和转换电路组成，LED灯检测电路自动检测LED灯的状况，转换电路转换二组LED灯的工作状态。

6.如权利要求1所述的自动调色LED医用冷光源，其特征在于，光强度输出调节控制由人工调节控制和自动调节控制组成，实现光强度自动调节与人工调节。