CN104224349B - 牙科用发光装置 - Google Patents

Abstract

一种牙科用发光装置。发光装置(1002)包括主体(1050)和端部结构(1052)，端部结构(1052)被配置成可拆卸地连接到主体(1050)。端部(1052)包括用于可操作地发射光的光引擎(2050)，该光引擎(1052)位于端部(1052)的远端。供电电路置于外壳中并被耦接到光引擎。供电电路可再充电，其包括至少一个超级电容元件(1068)。非成像单元(2070)在远端与光引擎(2050)耦接。

Description

牙科用发光装置

相关申请

本申请是的在2010年4月1日提交的题目为“治疗发光装置(CURING LIGHTDEVICE)”的美国专利申请No.12/752,335的部分延续申请，后者是2009年4月2日提交的题目为“治疗发光装置(CURING LIGHT DEVICE)”美国临时专利申请No.61/166,130的非临时专利申请，上述两篇在先申请的全部内容通过引用而并入本文。

发明领域

本发明涉及照明或发光装置，更具体地，涉及用于口腔和牙科应用的照明装置，该照明装置在牙科应用中提供用来照明和固化可光固化的组合物的光。

背景技术

在牙科和口腔应用中早已使用许多照明装置或发光装置。一种特定类型的牙科照明装置针对保持在病人嘴巴附近的、出于各种不同的原因而照明病人口内区域的手持装置。一种特定的用法是用来固化口中的可光固化的组合物。虽然已有用于牙科应用的适用的手持式发光装置，但这样的发光装置常常有各种各样的缺点，特别是在牙科治疗照明灯方面。

许多这样的牙科照明灯都有包含诸如发光二极管(LED)之类发光元件的主体。用变细且弯曲的光导与主体的端部及发光元件对接，以捕获光并把光引导到想要的地方。通常，这样的光导是光纤束，它用来捕获装置中远离病人嘴巴的光，然后把所述光传送到可置于病人口内的感兴趣区域中的端部。虽然这样的光导以适当的方式起作用，但它们也是非常低效的。装置中产生的光在从其源头通过光导传到端部的传输过程中几乎有一半损失。这样的低效率需要非常大的光引擎来产生治疗部位所需的光，例如用于固化组合物。反过来，这又产生热量，这些热必须适当地去除并被引导远离光引擎。光引擎所需的输出越大，必须解决的热量就越多。

与这样的牙科发光装置相关的另一个问题是它们的消毒。正如可以预测到的，牙科发光装置的端部通常放置在病人的嘴巴或嘴巴的某个部分附近，或者与嘴巴实际接触。因此，发光装置的端部暴露在各种微生物和细菌之下。因此，为了阻止微生物或传染病在病人之间传播，牙科器具常常进行消毒，例如在非常高的温度下高压消毒处理。虽然在本领域已提出把牙科发光装置的光引擎移到更靠近操作端部的建议并进行了某些尝试，但这些尝试没有彻底解决消毒的问题。例如，达到高压消毒的温度潜在地危害光引擎，例如LED阵列中的发光元件。因此，对于现有的牙科照明灯，例如牙科治疗发光装置，消毒的问题还没有适当地解决。

现有牙科照明灯的另一个缺点指向它们对于电源的需要。通常，这样的照明灯实际上被插入基座，然后基座连接到诸如墙壁插座那样的交流电源。某些发光装置直接连接到墙壁交流插座。某些便携式牙科发光装置没有连接到基座，而是利用电池，例如可充电电池。然而，可充电电池需要很长的充电时间，因此牙科发光装置可能需要一些很宝贵的停机时间，否则牙科发光装置可以在这些停机时间投入使用。而且，现有的电池充电技术使用的电池充电次数是有限的。它们得到和保持电荷的持续能力随着时间和使用而下降。在有限次的充电循环后，电池必须更换。因此，仍旧需要解决便携式治疗照明灯中的供电问题。

这样，在牙科照明灯领域中，特别是在牙科治疗照明灯中，仍旧有当前技术未解决的各种各样的缺点。

附图说明

图1是结合本发明的特征的发光装置的侧视图。

图1A是在充电基座中的发光装置的透视图。

图2是图1所述发光装置的分解剖视图。

图2A是图2的一部分的放大图。

图3是图1所示发光装置的侧剖视图，显示了与外壳接合的端部结构。

图4是本发明的发光装置的替换实施例的局部剖视图。

图5是用于本发明的端部结构的端盖结构的平面图。

图6是用来对本发明的发光装置充电的充电电路的电路图。

图7是图6所示电路的运行曲线图。

图8是按照本发明的实施例的超级电容的充电图示。

图9A是电容器充电曲线图。

图9B是电容器放电曲线图。

图10是显示本发明的一个实施例的供电电流源的电路图。

图11是显示本发明的另一个实施例的供电电流源的电路图。

图12是显示本发明的另一个实施例的供电电流源的电路图。

图13是显示本发明的另一个实施例的供电电流源的电路图。

图14是按照本发明的实施例的放电功能图示。

图15是显示本发明的另一个实施例的供电电流源的电路图。

图16是显示本发明的另一个实施例的供电电流源的电路图。

图17是在充电器基座中的发光装置的替换实施例的透视图。

图18是按照图17所示实施例的充电器基座的分解图。

图19是按照图17所示实施例的充电器基座的插头的透视图。

图20是按照图17所示实施例的发光装置的分解图。

图21是按照图20所示实施例的发光装置的剖视图。

图22是用于按照图20所示实施例的发光装置的可拆卸端部的分解图。

图23是用于按照图20所示实施例的发光装置的插座的分解图。

图24是用于按照图20所示实施例的发光装置的插座的局部剖视图。

图25是按照图20所示实施例的发光装置的剖视图。

图26是用于按照图20所示实施例的发光装置的光引擎的局部剖视图。

图26A是用于按照图20所示实施例的发光装置的光引擎的透视图。

图26B是用于按照图20所示实施例的发光装置的光引擎的侧视图。

图26C是用于按照图20所示实施例的发光装置的光引擎的俯视图。

图27-27G是按照图17所示实施例的充电器基座中的充电电路的电路图。

图28-28C是按照图20所示实施例的发光装置的主控制电路的电路图。

图29-29D是按照图20所示实施例的发光装置的放电电路的电路图。

具体实施方式

在本说明书中引用的、作为说明书一部分的附图显示了本发明的实施例，附图连同下面给出的对本发明的一般说明一起用来解释本发明的原理。

图1显示了本发明的发光装置10的一个实施例。虽然发光装置10的一个实施例可被用于固化，但也可预期其它用途，例如照明、牙齿增白、或其他治疗应用。因此，本发明不限于这里针对示例性实施例描述的特定使用方法。治疗装置10包括外壳12和可拆卸地连接到外壳12的端部结构14。按照本发明的一个方面，正如下面进一步讨论的，端部结构14可以移除，这样，它可以与整个装置分开进行高压消毒处理。装置10还包括带有外部控制部分18的适当的控制电子装置16(见图2)，外部控制部分18可包括按钮、开关、或用于控制装置10的其他适当的手动控制装置。还可以采用显示装置20，显示装置20可包括屏幕、单独的发光元件、或用于可视化显示装置10运行的其它图形元件。例如，也可以通过可视化显示器20来显示所述装置的运行模式或设置、可选择的治疗时间、剩余的治疗时间、充电或电源状态、以及诊断图形。按照本发明，端部结构14包括可拆卸地连接到外壳12的近端22，以及放置在病人口内用于固化可光固化的组合物的远端24。如图1所示，外壳12的基部26可被耦接到适当的外部电源，例如交流源或直流源，外部电源呈充电基座或充电坞27的形式，用于对装置10供电电路28的可充电的内部元件进行充电(见图2)。基部26也可以被配置成适于结合到适当的结构内，例如独立的、桌面安装的基座，用于把它安装在墙壁、柱子、或椅子上的安装结构，或者可以被结合到牙科椅子的一部分中，用于保持治疗装置10和给治疗装置10充电。

图2和2A显示装置10的剖视图，它显示了端部结构14与外壳12之间的接口。

图3显示与外壳接合的端部结构14。在图上，为了说明起见，显示的断裂线30表示外壳12的可拆卸部分。外壳12以及端部结构14的尺寸可以被设定成适于手持式治疗装置，可以操控该手持式治疗装置，以便把装置的远端24放置在病人口内，或靠近可光固化的材料和组合物。

端部结构14包括在端部结构中从近端22延伸到远端24的散热器结构或元件32。在本发明的一个实施例中，如图2和2A所示，散热器32延伸通过端部结构14的近端22而与外壳12接合，用于使热量从治疗发光装置适当地转移。散热器可以由诸如金属(例如，铜或铝)那样的适当的热转移或热传导材料制成。替换地，诸如热分解石墨片(PGS)那样的高导热性材料可被使用于散热器32。在一个实施例中，散热器32是以适当的形状成形的拉长的铜管，用于放置在端部结构14中。适当的绝热材料34包围散热器32。端部结构14包括主体36，主体36包围端部结构的元件，并且在它的近端22和远端24处被适当地密封，如下面进一步讨论的。按照本发明的一个方面，主体36由可经受高温高压消毒的材料制成。如上所述，希望对某些可重复使用的牙科元件进行消毒，例如在病人口中使用或者插入或者靠近病人嘴巴的那些牙科元件。过去的治疗发光装置一直不能被高温高压消毒到牙科医生想要的程度。本发明提供被包围在由能够承受高温高压消毒，例如121℃以上的高温高压消毒，的可高温高压消毒的材料制成的密封主体36内的端部结构，因此使包括发光二极管或其中的光引擎在内的整个端部结构也可高温高压消毒。

在本发明的一个实施例中，可高温高压消毒的主体36由诸如不锈钢那样的适当的材料制成。替换地，主体36可以由能够承受高温高压消毒的温度的陶瓷、玻璃或瓷器材料制成。通常，主体36将连同散热器32和绝缘材料34一起被形成为适当的形状。例如，可以先形成散热器32和绝缘材料34，然后通过涂覆以陶瓷、玻璃瓷器、聚合物或其它可高温高压消毒的材料形成主体36。在图上显示的实施例中，端部结构14由于在治疗部位，例如在病人嘴巴处进行操作而适当地弯曲，因此，主体36也以弯曲的方式形成。

发光装置或发光引擎40被耦接到散热器32的远端。这样的发光装置可包括一个或多个LED元件，这些元件已熟知用于固化可光固化的组合物，例如牙科组合物，并且可从各制造商那里买到。高功率LED元件是用于本发明装置的一种适当类型的元件。例如，可使用高功率牙科LED。发光引擎可使用单个LED元件或排成阵列的多个元件。通常，为了治疗用途，发光装置将发射特定的期望波长的光，用于固化可光固化的组合物。对于各种牙科组合物，合适的光在370-500纳米的波长范围内，或在蓝光范围中。对于本发明的光的其他用途，例如用于检查口腔区域以检测蛀洞，照射区域，和提供癌症扫描，可以使用其它波长。

然而，按照本发明的另一个方面，各种不同的端部结构14可以容易地移出和插入外壳12，以使得多个不同的端部结构可以用于单个外壳12。为此，各种不同的端部结构的发光装置可以针对其它应用，例如增白牙齿，或用于病人口内的照明，但它仍旧通过同一个外壳12及其控制装置操作。这样，本发明不限于特定类型的发光装置或用途，各种不同的端部结构14可与发光装置一起使用，该发光装置发射适当波长范围的光，以用于不同的用途，诸如固化、增白、照明、筛查(screen)等。

这样的发光装置或光引擎40通常包括基部或基底42，用来支撑一个或多个发光结构，或半导体结构，例如呈发光二极管或LED的形式。根据结构或元件功率不同，可利用单个发光结构，或在用于提供装置40的基底42上布置结构阵列。例如，可以使用高功率LED元件。发光装置40能够承受高温，因此利用高温结构或LED。基底42通过高温粘接剂或胶水而直接附着到散热器32的远端。发光装置40与散热器32的直接耦接提供了用于去除由发光结构44或基底42产生的热量的最佳热耦。

为了密封外壳36的远端24，玻璃窗46或其他透明元件绕其周界被焊接密封，如图2和3所示。透明元件被配置成允许光从外壳的远端传出。为此，玻璃窗46可包括围绕其周界的金属化部分，以便通过利用高温焊料或其他适当的高温粘接剂而适当焊接密封到外壳36。通常，发光装置40结合在LED或其他发光结构上的透镜48而工作，以便聚焦来自那些结构的光。玻璃窗46在图2中显示。替换地，单独的透镜48可以被密封到外壳36的端部，而不是玻璃窗46。透镜48可以适当地成形，以用于聚焦来自发光装置40的光。例如，可以使用全内反射(TIR)透镜，正如下面对透镜48所做的进一步描述。

为了给发光装置40供电，本发明利用高温可弯曲的电路，或挠性电路50，52。挠性电路大致沿端部结构的内部在散热器32附近延伸。挠性电路是可弯曲的，因此可以遵循散热器32的轮廓或形状。在本发明的一个实施例中，可以在散热器32中形成适当的迹线(trace)或通道，用于放置挠性电路50，52。挠性电路50，52又通过其上的适当的导电元件，例如迹线，耦接到陶瓷端盖54，用于耦接到挠性电路并最终连接到电源和控制电路，如下面进一步讨论的。

现在参照图2A，端部结构14的近端22，尤其是外壳36的近端，被其中形成有可旋转电路迹线56，58的陶瓷端盖54密封，如图5所示。具体地，在本发明的一个特定结构中，端部结构14可旋转地与外壳12耦接。为了实现这样的旋转，在保持电信号传递到发光装置40的同时，本发明的装置10结合在端盖54上或端盖54内形成的圆形导电元件或电路迹线56，58。如图5所示，电路迹线56，58大致遵循端盖的形状，并具有大致圆形的形状。而且，端盖54具有在其上形成的适当的中心开孔60，用于使散热器32穿过，如图2A所示。如图2A所示，最里面的电路迹线56显示为被电连接到挠性电路50。类似地，端盖54上的外部电路迹线与挠性电路52耦接。端盖54可以是适当的陶瓷材料，例如氧化铝，制成的陶瓷端盖。陶瓷端盖可被粘接到主体36。如果主体是金属的，则陶瓷端盖54的边缘可被金属化，用于把端盖焊接到主体的端部。替换地，如果主体由玻璃制成，则适当的高温粘接剂可被用来把端盖粘接到玻璃主体。

如图2A和5所示，金属迹线56，58被形成为通过端盖54，从而呈现为挠性电路在端部结构远端的连接。当被耦合或插入外壳12时，如图2A所示，挠性电路50，52经由陶瓷端盖54被耦接到适当的供电电路和控制装置。具体地，弹簧触点62，64被安装在外壳12的与端部结构14交界的端部。那些弹簧触点62，64又通过适当的接头或电路66，68被耦接到适当的供电电路28。提供的能量则可以由适当的控制电路16控制，例如控制发光装置的强度、它的照明持续时间、以及与装置10的工作模式相关的各种其它参数。外壳12包含适当的控制电路16和供电电路28，以及在其远端的、用于给端部结构14或发光装置40供电的各种电连接/电路66，68。通过触点70，供电电路28可被耦接到外部电源，例如交流源或直流源，用于给电源的元件充电。例如，如图1A所示，基座27可以保持或停放装置10以便充电。在本发明的一个实施例中，供电电路包括可再充电的电源元件，例如电池，该电源元件可以被充电并且从外部电源拿开，以便由操作员操控。在本发明的替换实施例中，正如下面参照图4讨论的，超级电容器元件或电路可被用来为发光装置40提供期望的能量。外壳12可以由任何适当的材料制成，例如塑料或金属，或其它一些硬质材料。

如图3所示，当端部结构14被耦接到外壳12时，触点62，64分别接触端部结构的端部中的电路元件或迹线56，58。这使发光装置与供电电路电连接。由于迹线独特的圆形图案，端部结构14可以在0°-360°的范围内旋转，而触点始终保持与迹线56，58连接。替换地，只在小于360°的某个圆形范围内接触圆形导电元件，但仍旧允许至少局部的旋转。由此，端部结构可以旋转而不会损害外壳12与端部结构14之间的电连接。虽然导电元件56，58被显示为形成在端部结构和接触元件62，64上，定位于外壳上，但它们之间的相对位置可以颠倒，即元件56，58在外壳12上，元件62，64在端部结构14上。也就是，导电元件或迹线56，58与接触元件62，64可被设置在相对的外壳与端部结构中的任一个上，上，以便在二者之间传送能量。在替换实施例中，在外壳与端部结构之间可以使用替换的插针和插座来电耦接发光装置与供电电路。

同时，散热器32的近端接合到形成在外壳12中的适当的通道80。通道80由附加的或辅助的散热器结构或元件82形成，该附加的或辅助的散热器结构或元件82优选由适当的金属，例如铝，制成。除了通道80，散热器82还包括储存部(reservoir portion)84，它包含附加的散热器材料。该储存部可以全部是金属，以形成金属散热器。按照本发明的一个实施例，储存部80可以由金属制成，但包含一定量的相变材料86。相变材料吸收来自辅助散热器82的热量，并在该吸热之后改变物相。例如，一种适当的相变材料可以是在吸收热量后熔化的固体石蜡。这允许发光装置40的温度上升适当延迟，以便在正常使用期间为发光装置和整个端部结构提供安全的温度水平。辅助散热器82的储存部84内也可以包含其它相变材料，因此本发明不限于特定的相变材料86。

如图3所示，当端部结构14被插入、或被耦接、或被接合到外壳12时，散热器32接合辅助散热器结构82，从而散热器32的端部被插入通道80，提供散热器32与辅助散热器结构82之间的热连接或热耦合。这样，辅助散热器结构82的金属也可以吸收由散热器32传导的热量。如果储存部84只是固态金属或填充以金属材料，则该金属将吸收热量，因此使发光装置的温度保持在适当的工作点。替换地，如果相变材料86填充储藏库84，则相变材料可以在其吸收热量时熔化，从而发生相变而使工作点保持在适当的低温。电路66，68是高温电路，因此它们适于靠近辅助散热器结构82。而且，绝缘护套88可以围住辅助散热器结构82的一部分，例如储存部84，也可以围住适当的电子元件，例如供电电路28和部分触点70，以防止它们受到辅助散热器结构82的热量影响。

固-液相变材料吸收热量，它们的温度上升到它们出现相变的点(它们的熔点)。材料然后吸收额外的热量而不会明显变得更热。当由辅助散热器提供的储藏库中的环境温度下降时，相变材料86固化，因此释放它存储的热量。所以，相变材料吸收和发出热量，而同时保持大致恒定的温度，这是手持式外壳12所期望的。

另一种适当的相变材料是加载有碳的固体石蜡。一旦散热器接合到外部散热器的通孔和通道80，就实现了适当的热传导。

弹簧触点62，64的弹簧加载特性在外壳12与端部结构14之间提供持续和牢固的电连接。

回到图4，按照本发明的另一个实施例，供电电路28结合有一个或多个超级电容或超级电容器，以便为端部结构14中的发光装置提供能量。所述一个或多个超级电容90可被用来代替供电电路28中的电池。超级电容提供高能贮存，并且能够在被调用时立刻传递能量，例如给发光装置供电。超级电容还通过使用这里描述的按照本发明各方面的充电或充电器电路，来非常快速地充电，有时在几秒内即可充电。它们还可被用来为应用本发明的装置10而提供必要的突然的能量爆发。由本发明的供电电路28提供的快速充电时间提供快速充电应用，消除对可充电电池的需求，这些可充电电池可能需要几小时才充满电荷。而且，超级电容具有更长的使用寿命。虽然NiMH电池可以充电500次，或锂离子电池可以充电300次，但本发明使用的超级电容可以充电500,000次。而且，如这里描述的那样被充电和放电的这类超级电容并不具有存储器(像电池单元)，其重量减轻且花费减少，并且在丢弃后不产生有害的废物。例如，NiMH电池和锂离子电池的重量平均来说比超级电容重得多。

通过足够的触点接合到装置10的触点70(图1A)，利用本发明的特性，装置10可被耦接到适当的外部电源，诸如在充电基座或充电坞27中。超级电容90可以被充电，然后在一系列使用周期内，例如治疗周期内，放电用于装置10。装置然后可以重新放置到它的充电基座或充电坞，使得超级电容再充电。通常，超级电容元件在装置10的寿命期间不需要像电池那样进行替换。由于超级电容90充电非常迅速，在装置10充电周期之间的停机时间是非常短的。例如，NiMH电池和锂离子电池可能需要花费约2.5小时才充满电荷，而超级电容在按照本发明的电路中充电时可以在15秒内充满电荷。

图6是一种可能的充电或充电器电路的电路图，该充电或充电器电路用在基座单元或充电坞27内以便对装置10充电，具体地对于在本发明的一个此类实施例中所提供的超级电容进行充电。充电器电路100提供供电电路/部件102，为电路提供适当的直流电源。例如，电源102可以与用于插入交流插座的适当的交流电缆耦接，并且提供例如在5-24伏范围内的直流电源。指示器LED106可被用来提供基座27有电的指示(见图1A)。如图1A所示，基座27还可以包括指示器111，113，用于指示装置10正在进行充电或已充满电。按照本发明的一个实施例，电路100被配置成作为过流保护电路形式的电流源运行。过流保护电路100被用来对本发明的超级电容供电电路28充电，并且提供超级电容元件90所期望的快速充电，它不同于电容器通常被充电的方式。具体地，在本发明的一个实施例中，电流源被用来对超级电容元件90充电。

图9A和9B显示了常规电容器的典型的充电和放电曲线。例如，图9A显示充电曲线，而图9B显示放电曲线。在通常的电容器理论中，电容器的充电和放电曲线被认为是指数曲线，如图9A和9B所示。单个时间常数或1T指示电容器充电到其全部电荷约63％时所花费的时间量。充满电荷的时间被表示为5T，正如可以在图9A上看到的。图9B显示的也是指数型的放电曲线，其中时间常数1T指示电容器放电到其全部电荷约37％时所花费的时间量。

然而，在本发明中，为了使操作员能高效地使用本发明的装置10，对超级电容充电必须比传统的充电快速得多。也就是，对于某些使用，例如对于固化牙科组合物，希望非常快速地对超级电容充电，以避免在治疗过程中的等待和停机时间。按照本发明的一个实施例，如图6所示，电流源供电电路100被使用来以期望的速率给超级电容充电。如图8所示，本发明为超级电容提供快速的、大致非指数的充电函数。图8显示对图6的充电电路充电的超级电容电压关于时间的曲线，可以看到，本发明提供了非常陡的直线斜率和充电，用于提供线性变化函数，如图8所示。这为本发明提供很大的好处。

再次回到图6，电路100用作具有过流保护功能的线性电源。图7显示与如图6所示的过流保护电源的运行相关联的曲线。当连接电源以便充电时，例如当装置10被放置在充电基座27中时，电流是恒定的，直至超级电容充满电荷为止，然后，实际上只有很小或没有输出电流流到超级电容。

充电器电路100利用线性可调的电压调整器108，例如由国家半导体公司(National Semi-Conductor)提供的LM10841T调整器。在电路100中，调整器108是标准的线性调整器，其中控制反馈信号由晶体管Q1电压Vbe控制。流过被耦接到连接器109的充电超级电容元件的电流在感应电阻(R3/R4)上产生电压。当感应电阻上的电压等于晶体管Q1的Vbe(0.6伏)时，晶体管转为打开，迫使线性电压调整器108返送，并将电流限制为I＝0.6V/R3+R4。一旦超级电容完全充电，电流大致或实际上是0安培。通过这种用作电流源的电路，电容器充电时间在图8上被显示为近似于T＝C(V/I)。

如在本发明中利用的和这里公开的，恒定功率充电拓扑结构通常把来自充电源或基座的所有可提供的能量传送到能量存储超级电容。直线的恒定电流或能量传导通常可以提供比1T更快的本发明的电源再充电，而通常的电容器充电必须等到5T。实际上，实际的充电时间将由超级电容可接受的最大峰值电流来设定。

虽然图6显示作为线性的恒定过流保护电源的充电器电路100，但本发明的用于超级电容快速充电的另一个替换实施例是使用具有脉冲限制和逐个脉冲限制的切换模式电流模式电源(switched mode current mode power supply)。在另一个实施例中，可以利用锂离子(Li-lon)电池充电器。替换地，镍金属氢化物(NiMH)电池充电器也可以被用于给超级电容充电。

对于本发明的目的，可以利用各种不同的超级电容。在一个实施例中，超级电容元件具有约150法拉的电容量。50-1000法拉的范围对于本发明可能是适用的。可以利用多层超级电容，例如伊利诺斯电容器(Illinois Capacitor)生产的一种电容器。替换地，也可以利用碳纳米管制成的超级电容。在再一个实施例中，可以使用由碳气凝胶制成的超级电容。也可以利用锂离子超级电容，它提供很大的循环次数(例如，100,000个循环)且具有非常低的自放电特性。超级电容的另一个期望特性是：与诸如可再充电的电池的传统电源相比，它们可以更小、更薄和更轻。

在本发明的一个实施例中，装置10被用于固化牙科组合物。在这样的应用中，被用于发光装置或光引擎40的LED通常是高功率蓝色LED，例如是这类LED的阵列。这样的装置通常是电流装置，从LED输出的光是从电源提供的电流的直接函数。按照本发明的一个方面，为了保持恒定的光输出，流到LED元件或阵列40的电流应当是恒定的。在本发明的一个特征中，本发明提供电流源来给LED供电。也就是，超级电容作为电流源进行放电。为此，本发明的超级电容的期望放电函数是直线函数，如图14所示，其中放电时间是：

T_放电＝C(V1-V2)/I

其中V1是充满时的电压，V2是最低工作电压。

在本发明的一个实施例中，驱动组成光引擎40的一个或多个LED单元或阵列的电源可以是升压脉冲宽度调制(PWM)电流源，或降压脉冲宽度调制电流源。替换地，可以利用降压-升压脉冲宽度调制电流源。另外，可以使用回扫电流源或SEPIC电流源，如在下面讨论的。当超级电容完全充电且电压可能高于LED所需的正向电压时，降压-升压拓扑结构通过给一个或多个LED元件供能而为装置10提供期望的较长运行时间(放电时间)。当超级电容上的电荷由于放电而低于用于LED的正电压时，这样的拓扑结构也给LED供电。在一个实施例中，例如，通过使用两个100F的超级电容，可以在单次充电后达到30-40次、每次10秒的放电治疗循环。

图10显示在本发明的实施例中使用的适当的降压-升压转换器200的一个实施例。图10显示的实施例显示两个超级电容C1，C2。替换地，可以采用单个超级电容。再者，可以采用两个以上的超级电容来实现本发明，正如下面讨论的。这样，本发明不限于可以在电源中利用的任何特定数目的超级电容。

电源电路200采用PWM集成电路U1。U1与电感器L1耦合，并向一个或多个LED供电。图10象征性地显示单个LED1，然而，这样的象征也覆盖多LED的阵列。PWM电路U1由电流感应电阻R3供电。可以通过与适当的控制电路U3耦接的打开/关闭开关S1控制电源，该控制电路U3为LED和发光装置的运行提供打开/关闭控制和定时功能。电路U4为U3控制电路提供本地电源。为了控制在本发明中作为电流源的U1，电路U2，例如运算放大器，把电阻R3感应的、流过LED的电流转换成反馈电压。反馈电压用来控制作为电流源的U1电路，如期望的那样。电阻R1和R2设置加到U2电路的电压反馈电平。

在本发明的替换实施例中，降压转换器电源300可被用来在超级电容上提供恒定的功率负荷，并提供恒定的电流到任何LED元件。如图11所示，降压转换器拓扑结构多少类似于如在图10中示出的降压-升压拓扑结构，相同的元件共享相同的标号。来自PWM电路U1的功率路径包括肖特基二极管元件D1和电感L1，如所显示的。如果LED光引擎电压需求小于超级电容堆栈电压，则可以利用降压转换器电路300。

替换地，如果LED光引擎电压需求大于超级电容堆栈电压，则可以利用升压转换器拓扑结构。例如，如图12所示，升压转换器电路400可被用来驱动LED光引擎。图12类似于图10，相同的标号被用于相同的元件。在电路400的升压拓扑结构中，固态开关Q1根据开关S1的控制而提供切换电源的打开/关闭功能。这样的开关Q1对于电路200和300而言也可以是想要的。肖特基二极管D1和电感元件L1被适当地耦接以用于升压转换器的运行。

在图10-12、15、16的电路中，PWM电路U1可以是以例如从1.5伏到12伏那样的低电压下运行的标准降压、升压、或降压-升压PWM电路。在五个电路的每个电路中，U2电路元件被用来控制加到PWM U1的电压反馈，以提供电流源功能。在R3元件上的电压与流过LED的电流成比例，误差放大器把在低欧姆感应电阻R3上的小压降放大到等于内部PWM的基准电压。U3电路为控制电路，用来控制光引擎的打开时间，并且当超级电容放电到对于PWM电路U1使用而言太低的点时关闭。U3电路可以是微处理器、微控制器、复合的可编程逻辑器件(CPLD)、或简单的模拟定时器，例如ZSCT1555。U4电路是用作低功率降压-升压控制器的电荷泵电源，它在超级电容放电时给控制电路提供适当的恒定的电源电压。Q1电路用作为固态开关，用于在电源被关闭时断开LED电源与超级电容的连接。图12上显示的供电电路400采用Q1元件。这样的固态开关Q1对于图11的降压转换器或图10的降压-升压转换器而言可以是必需的或不一定是必需的。电感元件L1是切换功率模式电源(SMPS)所需的电子元件。L1的数值大致可以在1μH到300μH的范围内。如上所述，D1元件是通常被用于图11和12的降压或升压转换器配置的肖特基二极管。

图15显示按照本发明的实施例的、用于给LED光引擎供电的替换的电流源。图15显示回扫电流源600，其中使用的元件与以上对其它实施例所说明的相似。在图15中，T1表示回扫变压器，元件Q2显示回扫开关，其中电阻R4是用于开关Q2的电流限制感应电阻。在运行时，当开关Q2打开时，变压器T1的初级直接连接到输入电压源。在次级绕组上的电压是负的，因此二极管D1被反向偏置(即，阻塞)。输出电容器把能量提供给输出负载，例如LED1。当开关被关闭时，变压器中存储的能量被转移到转换器的输出端。来自电流感应电阻R3的反馈信号被送回PWM电路U1，以便控制LED电流。

图16显示呈“单端初级电感转换器”(SEPIC)转换器700形式的另一种替换电流源。SEPIC转换器是一种DC-DC转换器，它允许其输出端处的电压大于、小于、或等于其输入端的电压。SEPIC转换器的输出受来自电流感应电阻R3的反馈信号的U1电路的占空比控制，所述反馈信号被送回U1PWM电路以控制LED电流。在图16中使用的标号与在图10-13和15中使用的相同。Q1是使电源打开/关闭的固态开关。分立的电感L1和L2提供升压功能(L1)和降压功能(L2)。电容器C4提供在图16的电路中的交流耦合。

虽然图10-13，15，16显示两个串联的超级电容C1和C2，但如上所述，可以采用单个超级电容。替换地，超级电容C1，C2可以并联在一起。再者，可以采用两个以上的超级电容，这些超级电容可以串联-并联布置方式耦接在一起，以便为发光装置10提供所需要的电压和能量。

在本发明的替换实施例中，可以利用如图13所示的电路，例如给较低功率LED供电，用于除了固化牙科组合物以外的其它应用。图13中的电路500呈由超级电容C1，C2供电的升压转换器形式。电路的电压检测器部分给“Ready(准备好)”LED(见图1A)供电，以表示发光装置10已完全充电。打开/关闭开关部分给定时器电路供电，该定时器电路驱动固态开关Q2，以便在选定的时间间隔(例如，5-40秒)之后打开和关闭电源。升压转换器然后如所示的那样向LED或LED阵列提供所需的能量。

图17显示了本发明的另一个实施例，该实施例结合了这里公开的各种特征和方面。治疗发光系统1000包括被显示为插入充电器基座或充电坞1004的治疗发光装置1002。充电器基座1004和其中的充电器电子装置通过电源连接器电缆(未示出)连接到交流电源，例如墙壁插座。电源连接器电缆包括AC到DC转换器，包括适当的变压器和倒相器电路，倒相器电路向充电器基座1004提供适当的和可使用的DC信号，例如12伏的直流信号。充电器基座1004在其中具有适当的开孔1006，以便保持发光装置1002的端部，如图17所示。发光装置则可以容易地被移除和使用，例如用于固化病人口中的牙科组合物。充电器基座包括适当的指示器1008，指示器1008被照亮以指示发光装置的充电状态。

充电器基座1004还包括辐射计传感器，用于测量发光装置1002的光输出。如图17所示，辐射计传感器包括输入部分1010和多个指示灯1012。发光装置1002的输出端可靠近输入端1010设置，并被操作用来输出光束。指示器1012的读数指示发光装置输出的能量水平。通常，发光装置1002将输出在1,100–1,800mW/cm²的范围内的能量水平。多个指示器以分级方式被点亮，以提供该光输出的相对指示，如下面讨论的。

参照图17，辐射计传感器1010具有多个指示灯1012，这些指示灯1012提供所产成的光能量的分级指示。在本发明的一个实施例中，使用五个指示灯，如图17所示。这些灯具有不同的颜色，并被顺序点亮，以指示所产生的光的强度。为了操作辐射计，光的治疗时间间隔被设置为10秒周期，如下面讨论的。在治疗周期期间，端部被保持在辐射计传感器1010上方，指示灯将从底部向上点亮，提供光强度的读数。辐射计传感器应当被照亮直至治疗循环完成。在本发明的一个实施例中，底部的两个灯颜色是琥珀色，而顶部三个灯的颜色是蓝色。在本发明的一个特征中，指示灯具有必须被照亮的最小数目，以指示发光装置在治疗周期内是可工作的。按照本发明的一个方面，至少一个蓝色灯(总共3个灯)必须被照亮以用于适当的治疗。第一个灯以750mW/cm²及以上的强度被照亮。第二个灯以850mW/cm²及以上的强度被照量。第三个灯(第一个蓝色灯)以950mW/cm²及以上的强度被照亮。第四个灯以1050mW/cm²及以上的强度被照亮，以及第五个灯以1250mW/cm²及以上的强度被照亮。通常，前面四个灯在照明时将发射稳定的辉光。顶部指示灯对于发光装置的周期性水平移位(PLS)是敏感的，如下面所指出的，这将导致第五个灯的闪烁效果。

现在转到图18，图上显示充电器基座1004的分解图。充电器基座1004包括由诸如Valox树脂那样的适当的热塑性材料形成的中心部分1020，该Valox树脂可由马萨诸塞州皮茨菲尔德的萨比克创新塑料(SABIC Innovative Plastics)公司提供。中心部分1020置于金属基底1022上。金属基底由诸如锌合金那样的适当的金属制成，其重量为300-320克，在一个实施例中，其重量约为313克。中心部分1020通过适当的紧固装置，例如螺钉，耦接到各个装置1022。在中心部分1020与基底之间的是充电器电子装置1024，充电器电子装置1024被定位在适当的印刷电路板1026上。充电器电子装置包括直立的充电器插头1028，充电器插头1028被捕获在中心部分的适当的直立部分1030中。插头和直立部分一起提供直立的充电器插头1028，当发光装置被密封到充电器基底并被插入时，该直立的充电器插头1028被接纳在发光装置1002的端部内，如图17所示。为了提供与金属基座1022的适当绝缘，把绝缘体托盘1032放置在电路板1026的下方。充电器电子装置包括适当的插座1034，用于接纳AC/DC电源电缆的插头并把12伏传递到充电器电子装置1024。盖1036则被置于且适当地固定到中心部分1020，以便提供完整的充电器基座1004。与金属基底1022固定的旋入橡胶脚1038提供与平支撑面之间的适当接合。

沉重的金属基底1022给充电器基座1004提供想要的重量，以便当发光装置1002被插入充电器基座和从充电器基座移出时，使充电器基座向下保持在支撑面上。这使用户能够用一只手容易地移出发光装置，而不必压住充电器基座。单手移出提供了期望的优点和好处，并允许用户容易地用单手握住发光装置使用而不至于使充电器基座翻倒，或者得用另一只手来固定充电器基座。如所提到的，中心部分1020和盖子可以由适当的热塑性塑料制成，诸如用Valox树脂。诸如指示器部分1040之类的其它部分可以由其它材料制成，例如用Lexan，一种聚碳酸酯材料。本领域的技术人员将会理解，在制造充电器基座以及发光装置时可以使用适当的材料来实现耐用度、美观和其它目的。

图19显示直立的充电器插头1028，充电器插头1028包括适当的充电触点，例如金属的弹簧加载指1042，当充电器插头1028被插入时用充电触点于提供与发光装置1002的适当的电接触。在发光装置端部内的插座接纳直立的充电器插头1028，正如下面讨论的。弹簧加载的充电器触点对主体150中插座1081的配对触点施力，以把装置保持在充电器基座中，并且在装置与充电器基座之间提供牢固有力的电接触。当发光装置1002被插入充电器基座1004时，指示器1008照亮而指示发光装置的充电状态。不同颜色的灯指示不同的状态。如果灯以一个颜色照亮，则发光装置当前正在充电。当指示灯改变到另一种颜色时，发光装置充满电。在本发明的一个实施例中，当发光装置正在充电时，指示灯以琥珀色发光，当发光装置充满电时，指示灯以绿色发光。正如下面进一步讨论的，当发光装置常规常规再充电时，只需要充电40秒就达到完全充电。如果电源在几天不工作以后完全耗尽，则单元可能需要70秒才能达到完全充电，但之后的再充电将又只需要40秒。

除了弹簧加载触点1042的保持力以外，当装置1002被插入充电时，充电器基座还提供与装置1002的摩擦配合。具体地，摩擦配合出现在直立部分1030的塑料与装置主体1050基部的插座1086的塑料材料之间。在接触点，充电器基座触点1042在插座1086的主体插座触点(未示出)上施加4到5牛顿的集中力(point force)。然而，由部分1030与插座1086的塑料材料呈现的附加摩擦配合在主体上施加额外的力，用作约7.8牛顿的所需的手动移除力。为了抵消该力并能按照本发明的一方面单手移出，充电器基座1004的重量约456克。在一个实施例中，金属基底1022的重量约313克，其它部件和塑料部分提供其余的重量。为此，在425-475克范围内的充电器基座重量可适于单手移出。这保证移出治疗发光装置所需的移出力小于充电器基座的向下的重力。

参照图20，按照本发明的一个方面，治疗发光装置1002包括手握件或主体1050和可移除的LED灯附件，这里称为端部1052。主体由用户，例如牙医，手动操作。如图20所示，端部被插入主体并且可以容易地移除，以便充电或更换端部。端部1052也可以被适当旋转用于将端部和来自该端部的光定位在治疗部位或其它部位。发光装置还包括遮光罩1054，遮光罩1054用橡胶环1056固定在主体1050上。遮光罩由诸如橙色塑料之类的适当的塑料材料制成，并且是高透光的。按照本发明的另一个方面，橡胶环使遮光罩易于从主体1050移除，并且也使得遮光罩例如在端部被旋转时如期望的那样易于旋转。

手握件或主体1050具有由用户抓握的手柄部1058和适当的控制与指示器部分1060，控制与指示器部分1060可以在用户的手指保持在手柄部时被手动操控，例如由用户的手指操作。治疗发光装置主体包括近端1062和远端1064，近端1062包括用于插入充电器基座的插座，远端1064也包括用于接纳可移除的端部1052的插座1066。

图25显示了治疗发光装置1002的剖视图，它显示发光装置的各种部件以及主体1050的部分。主体1050包围呈多个超级电容1068形式的、用于发光装置的电源。发光装置主体1050还包围适当的放电电子装置和控制电子装置，所述放电电子装置和控制电子装置被适当地安装在一对印刷电路板1070，1072上。通常，超级电容1068被包含在手柄部1058中，而电子装置1070，1072靠近控制部分1060，这样，单个控制按钮1074可以与电子装置对接，并且可被用来控制发光装置，例如启动治疗周期。

参照图20和25，主体1050形成用于装置的各部件的外壳，并包括内部框架1080，该该框架1080形成用于主体的硬质结构和基部。框架还提供适当的结构，用于保持接纳端部1052的插座1066。框架1080由适当的硬质材料制成，例如用铝制成。主体还包括与框架结合的上部辅助支撑1082，上部辅助支撑1082提供用于固定电路板1070，1072的结构，例如用螺钉1084固定。辅助支撑1082还支撑在主体近端1062的插座1086，如图25所示。当治疗发光装置被插入基座充电器时，插座1086接纳直立的插头1028和触点1042，插座包括适当的金属触点(未示出)，用来与充电器基座中的插头的弹簧触点1042对接，以便把能量传递到超级电容和发光装置。上部盖板1090和下部盖板1092与框架和上部支撑1082共同起作用，用于形成手握件主体1050。上部辅助支撑1082和盖板1090，1092可由适当的热塑性材料制成，例如用Valox树脂和/或可由俄亥俄州埃文湖的PolyOne GLS公司提供的GLSVersaFlex TPE合金。本领域技术人员将会理解，主体1050可以各种各样不同的方式形成，因此，本发明不明确地局限于各种部分和主体元件的材料或布置。

与框架1080耦接的辅助支撑1082限定控制部分1060，如图21所示。控制部分包括操作按钮1074a，1074b，用于打开装置和选择操作模式；以及指示灯1094，例如用于指示已选择的治疗过程的长度，正如下面进一步讨论的。

图22用分解图示出可移除端部1052的一个实施例。具体地，图22显示可移除端部的结构，端部保持、冷却和支撑在端部远端2000的LED光引擎。端部的近端2002然后插入适当的插座1066，如图20所示。

端部1052包括两个核心或主体元件2004a，2004b，它们以蛤壳方式配合在一起，如图所示。主体元件由导电和导热材料制成。在一个实施例中，元件2004a，2004b由铜制成，用于提供到在远端2000的光引擎的电能传导，并且还提供用于去除和耗散光引擎工作时生成的热量的热传导。如图22所示，绝缘板或元件2006被定位在导电主体元件2004a，2004b之间。因此，这些导电主体元件互相电绝缘，它们可以用作正向和负向导体，正如下面想要的，以便把能量传递到装置的光引擎。绝缘体元件具有板状结构的形式，大致具有与主体元件相同的剖面形状，如图22所示。例如，该绝缘体元件结合对准结构2007，对准结构2007与主体元件2004a，2004b中的对准孔2008协作，用于适当的对准而形成最终的端部1052，如图20所示。所示的核心或主体元件是在外面靠近远端2000的固体，但在外面沿着它们长度的部分也是空心的，如所显示的那样。每个近端包括整体的电接触结构2010，2012，电接触结构2010，2012与主体元件一起形成并且沿端部的长度定位成纵向互相偏离。电接触结构2010，2012与用于端部的电源(超级电容)电接触，以便把电能输出到端部远能输出到端部远端2000处的光引擎，如下面进一步讨论的。在完整的端部中，如图20所示，偏离的接触结构2010，2012提供纵向分离且电隔离的触点，从而正、负触点出现在插座1066中且与电源耦接，可能实现合适的电接触，以便向光引擎供电。绝缘体元件2006使主体元件2004a，2004b彼此之间电绝缘，从而来自电源的信号的正向和负向位置能够从主体1050输出到端部的远端和光引擎。绝缘体元件包括扁平基部2014，该扁平基部2014抵靠主体元件2004a，2004b的端部。铜制主体元件2004a，2004b可以被适当电镀，例如用镍电镀。钢盘2016也抵靠基部2014。钢盘2016还可用镍电镀并且为端部1052提供一部分固定装置，以便将端部固定在插座1066中，如以下讨论的那样。

一旦端部按图22所示的那样被组装，端部的整个主体就被适当地涂覆以合适的热塑性材料2018，例如Valox树脂(见图25)。塑料材料层2018大致遵循组成端部的各元件的表面轮廓，同时仍旧使接触结构2010，2012暴露，用于适当的电接触，如图20所示。如图26所示和下面进一步讨论的，在治疗发光装置1002中使用的光引擎耦接到端部1052的远端2000。

端部1052的尺寸可以设定为端到端的长度X约4.10英寸、长度Y约3.22英寸、和长度Z约2.58英寸。端部插头端的宽度W约为0.34英寸，宽度W2约为0.94英寸，如图20所示。这给端部1052提供稳定的基部2013，该基部2013比近端2002更宽。参照图25，端部的远端2000可以与端部的纵轴L形成约600的角度。

现在转到图23，图上显示位于主体1050远端1064的插座1066的分解图。插座包含外壳2020、盖板2022，盖板2022与外壳接合并且在其间保持有多个垫片2024，2026。弹簧电触点2028被适当地保持在垫片之间并被对准，以便在端部插入和固定到插座1066中时与端部1052中的接触结构2010，2012物理接触。为此，电触点具有大致围绕插座的内侧约360°成形的弹簧触点的形式。成形的弹簧触点产生多个肩部2032，肩部2032提供期望的与端部的接触结构2010，2012的物理接触和电接触。如图24所示，触点2028和2030沿插座的长度隔开，以便与端部近端2002的接触结构2010和2012的纵向偏离间隔一致。位于插座端部的垫圈2023与辅助支撑1080接合，如图24所示。

按照本发明的一个方面，端部1052通过磁性机构固定到插座1066。参照图24，当端部1052被插入插座1066时，接触结构2010和12012每个均按压它们各自的电触点2028，2030。更具体地，接触结构2010，2012抵靠那些弹性电触点的肩部2032。触点2028，2030和结构2010，2012的尺寸被做成提供总是围绕插座的牢固的电接触。为了把端部保持在适适当的位置，例如磁盘2027的磁铁被放置在盖子2022的背面，如图23和24所示。磁盘磁性吸引端部近端的钢盘2016。这样，端部被牢固但可移除地保持在主体1050的插座1066中。

磁铁或磁盘2027由稀土磁性材料制成，例如，钕铁硼磁体(NdFeB)，评级为N52。在本发明中，必须使用其它适当的、磁性大小评为N28-N35的稀土磁铁，或28MGO_e-52MGO_e。N52磁盘使端部1052牢固地固定在主体1050中。这种牢固的磁性接合不仅在物理上固定端部，而且还保持端部的近端与插座1066的触点2028，2030之间牢靠且坚固的电接触。端部1052的磁性固定也允许端部围绕插座自由旋转，而同时保持固定在插座中。这给用户提供更大的灵活性。磁盘2027产生在0.5-6磅范围内的拉力来固定端部，在一个实施例中，提供约2磅的拉力来把端部固定在插座中。端部可以容易地旋转，但在需要时可以通过人工克服磁力而容易被移除。虽然磁性机构被显示为在插座中的磁盘且磁盘在端部上，但也可以倒过来布置：磁盘在端部上而圆盘在插座中。

弹簧触点从插座1066延伸，并且接触适当的电路1070和1072，用于控制发光装置和给端部及LED光引擎供电。正如所指出的，端部2004a和2004b的、在示例性实施例中为铜制主体元件提供从弹性电触点2028，2030到在端部远端2000的光引擎的电连接。也就是，电流传导经过端部的长度和元件2004a，2004b。同时，主体元件2004a，2004b也是导热的，并且与光引擎进行热耦合，以便从光引擎取走热量和从端部的远端取走热量。热量沿端部的长度传导通过主体元件，并通过那些主体元件和热塑性材料层2018被适当地耗散。这样，本发明的发光装置1002去除热量，并为光引擎和LED发射器提供期望的长的工作寿命。

现在转到图26-26C，图上显示本发明中使用的一个示例性光引擎。参照图26，光引擎2050采用基底2052，基底2052上设置一个或多个LED发射器器件2054。参照图26A，示例性显示的实施例采用形成阵列的三个LED发射器。本发明实施具有这个数目的LED发射器的光引擎，以便提供在1100—1800mW/cm²范围内的治疗发光输出功率，如所指出的，同时控制由光引擎产生的热量。端部的主体元件2004a，2004b被构造和设定其尺寸，以便把热量取走，防止牙髓温度急剧上升。三个LED发射器与端部独特的热耗散结构相结合，保证在治疗周期期间产生的热量不会过热或烧毁LED发射器，并且在发光端部的远端不提供会损伤正在治疗的牙组织的热量。更具体地，三个LED发射器的组合以及主体元件2004a，2004b的构造和尺寸是它们的保证温度受控制并且正在治疗的牙齿的牙髓温度上升不超过5摄氏度的热学特征。在一个示例性实施例中，利用来自北卡罗莱纳州达拉谟CREE,Inc.公司的LED发射器。具体地，可以利用EZ-900系列中适当的CREELED。在一个实施例中，利用C470EZ-900发射器，这种发生器主波长为464-468.5nm，辐射通量为400mW-420mW。LED发射器2054适当地在物理上和电气上固定到基底2052。基底2052例如可以是氮化铝基底，它提供电绝缘以及良好的热传导性。基底2052则电连接到端部1052的远端2000。通过端部的主体元件2004a，2004b提供适当的正、负电连接，因此，给光引擎2050提供适当的电连接。

按照本发明的一个实施例，基底2052包括触点2056，触点2056与端部的两个相应的主体元件2004a，2004b接触。在所显示的实施例中，触点2056具有薄片的形式，它适配到元件2004a，2004b中的插槽2057，如图22所示。这样的直接连接提供紧固的电连接，并消除对于在端部元件2004a，2004b与基底之间设置任何连线的需要。如图26A和26C所示，基底的顶层包括适当的微型带状导体和图案2058，和用于以串联电连接方式把LED发射器耦接在一起的跳线2060。在基底2052底部的触点2056之间可以采用保护性电路器件，例如齐纳二极管2062，用于保护LED发射器元件2054，如图26B所示。基底和包括光引擎的LED发射器被耦接到端部的远端2000，用来把光直接提供到治疗部位。光不必通过长的光导传送，因此可以提供适当的光量，与此同时，与在装置主体内实施光引擎和依赖伸长光导的治疗灯相比产生更少的热量。其中元件2004a，2004b用作导电体，导热体的独特端部设计还保证如果被传递到光引擎时有足够的功率，同时所产生的热量从光引擎和端部的远端被引走。

本发明还通过使用非成像光学装置，例如非成像透镜，来捕获和瞄准所产生的光，而在光传递时提供更高的效率。再次参照图26，为了瞄准光，非成像透镜元件2070与光引擎相耦合。更具体地，透镜元件放置在光引擎2050上面，尤其是放置在端部远端处的LED发射器2054上面。如图26和26A所示，透镜元件2070，具有截头圆锥部分2072和圆柱部分2074。截头圆锥部分2072的一端，尤其是小直径端2076，放置在LED发射器上。截头圆锥部分2072则沿其长度在直径上向外变大直到较大直径端2078，在较大直径端2078它的直径保持不变而延续成为圆柱部分2074。在一个实施例中，透镜的长度L约为0.279英寸，L₂约为0.219英寸，直径D约为0.320英寸。另外，截头圆锥部分具有约42度的锥角θ。

透镜元件2070是非成像透镜元件，它瞄准LED发射器2054产生的光，并把该光引导到透镜元件的远端2080以外。透镜远端面或表面2080大致代表端部1052的远端，最终代表治疗发光装置的远端。在使用时，远端2080被放置成靠近工作地点，诸如包含要被固化的牙科复合材料的地点。从LED发射器2054产生的光被捕获和瞄准，并在透镜元件2070的主体中被有效地反射而被引导到远端2080以外。在本发明的一个实施例中，透镜元件2070是全内反射器(TIR)透镜元件，它被配置成捕获、瞄准和有效地将光引导到透镜元件端部之外，以实现光损耗更少和传递到治疗地点的光能量更多。适当的非成像透镜元件是可以从纽约州埃尔姆斯福德的肖特北美有限公司(Schott North America,Inc.)买到。

为了安装透镜元件2070，小直径端2076可以涂层，使其沿周界有金属化的主体表面，如图26A上用圆形金属图案2081显示的。同样地，基底形成基部2052包括其上的金属化图案2082，用于抵靠金属图案2081和透镜元件以及密封光引擎2050(见图26C)。透镜元件的小直径端2076也包括凸压痕2084，如图26B所示。在透镜元件的小直径端2076处的凸压痕覆盖在LED发射器2054上面。为了进一步安装透镜元件和密封LED发射器使之与环境隔开，把硅胶注入到凸的空腔2084，例如通过基底2052中的开口或孔2086。更具体地，可以把适当的硅胶注入一个开孔，填充空腔，同时使空气从其它的孔2086引出。一种适当的硅胶可以从肖特北美有限公司(Schott North America,Inc.)买到，如UV-200折射指数匹配的硅胶。在硅胶被注入后，空洞然后被密封，例如通过焊接。因此，LED发射器被密封而与环境隔开，同时允许来自其中的辐射能量通过交界面传递到透镜元件2070。透镜可以通过在靠近远端2080的透镜周围使用粘接剂而进一步固定在端部1052中。在端部中设置间隙2083，以用于这样的粘接。塑料材料2018的端部大致与远端表面2080齐平。

发光系统1000包括治疗发光装置1002和充电器基座1004，正如这里讨论的。包含在治疗发光装置1002和充电器基座1004中的适当的电路实现该系统所期望的充电、放电和运行。按照本发明的一个方面，发光装置1002结合有多个超级电容，用于把能量存储到发光装置。在示例性实施例中，如图25所示，两个超级电容1068(有时称为超级电容器)通过充电器基座1004和其中的电路进行充电，被放电以便操作发光装置1002，并且给端部1052远端的光引擎供电。适当的充电器电路包含在充电器基座中的电路板1026上，如图18所示。用于打开治疗发光装置、改变治疗发光装置的工作模式的电路以及其它工作装置包含在适当的电路板1070和1072上，如图25所示。

治疗发光装置具有一些工作治疗模式。在本发明的一个实施例中，发光装置可以被操作，用来提供一些不同的治疗周期，包括5秒周期、10秒周期和20秒周期。如图21所示，适当的指示灯1094指示已被选择的治疗发光周期或模式。适当的控制装置，例如按钮1074a，1074b，可被用来打开和关闭治疗发光装置、选择工作模式和治疗周期、以及开始治疗周期。当特定的周期被选择时，治疗发光装置将在所选择的时间内输出光束。按照本发明的另一个方面，发光装置1002结合有周期性电平偏移(periodic level shifting，PLS)。这样的周期性电平偏移增加光的输出，同时保持想要的热特性。这样的周期性电平偏移特征在美国专利No.8,113,830中进一步公开，该专利与本申请同属本申请人所有，其全部内容在此通过参考而并入本文。控制电路提供带有周期性电平偏移特性或不带有周期性电平偏移特性的5秒、10秒和20秒的几种治疗模式。因此，有6种工作模式可供选择。

再次参照图21，按钮1074a将打开和关闭单元，并且还选择或不选择周期性电平偏移特性。按钮1074b控制工作模式，也控制可发声的蜂鸣器。如图21所示，充电指示灯1094a指示用于治疗的时间，该时间可由当前的电量提供。当还剩余40秒或更少的治疗时间时，充电指示灯1094a发出玳瑁色辉光，警告用户：电荷几乎耗尽了。当没有足够的电荷来完成所选择的治疗周期持续时间时，充电指示灯转为红色。如果治疗周期持续时间减少，灯光可以改变为玳瑁色，表示有足够的电荷用于较短的治疗周期。如图所示，三个最上面的指示灯1094指示所选择的时间间隔或工作周期。为了改变当前的选择，按压选择器按钮1074b，直至由各个照亮的灯指示想要的时间间隔。也就是，可以选择5秒，10秒和20秒的治疗周期。然后，当适当的治疗周期被选择时，按钮1074a就启动治疗周期。通过周期性电平偏移特性，LED发射器将在端部的端部闪烁。如果在治疗周期期间的任何时间按压按钮1074a，它将停止治疗周期。按照本发明的一个特性，当启动治疗周期时，周期性电平偏移特性可以通过按压和保持按钮1074a而被禁止。周期性电平偏移特性将被禁止，直至按钮被释放为止。在周期性电平偏移被禁止时，治疗光线将保持约1100mW/cm²的稳定光输出，并且单元将每秒发出一次嘟嘟声。当按钮1074a被按压时，治疗发光装置发出短的、可听见的嘟嘟声。嘟嘟声表示治疗周期开始。稍微更长的、可听见的嘟嘟声将在治疗周期结束时发出。在10秒和20秒周期期间，每5秒以及在周期结束时发出嘟嘟声。当治疗周期被选择时，治疗发光装置也可以通过基本上保持压下按钮1074b而被设置在静音模式。正如下面进一步讨论的，处理电路被适当地配置和编程，用于提供所指出的工作特性和治疗周期。

转到图27，图上显示用于给发光装置的电源和超级电容充电的主充电器电路。在这里描述的示例性实施例中，各种电路和它们的位置显示在特定的位置处，例如在充电器基座1004或在发光装置1002中的任一个之内。然而，将容易理解，特定电路或电路器件的位置无具体限制，其它实施例可以结合在不同位置的不同电路部件。图27的主充电器电路被显示为分成几个部分，用于显示更多的细节，诸如图27A-27G。图27的电路通常被包含在电路板1026上，如图18所示。图27的电路提供电压转换，并把想要的电压和电流传递到超级电容。按照本发明的一个特性，充电器电路2100对于在三点连接充电电路中的两个超级电容单独充电，用于更快速的充电。而且，充电器电路2100结合有涓流充电部分，用于最大限度地充电。所以，本发明提供发光装置充电非常快速，在小于或大约40秒的数量级，这样，发光装置可被重复使用而没有很多的用于充电的停机时间。

治疗发光装置在与充电器基座接合后立即开始充电。也就是，当发光装置被放置在适当的开口1006且直立的插头1028被插入插座1086时，超级电容将开始充电。充电器基座上的指示器1008指示充电过程正在进行以及装置何时被完全充电。每个超级电容具有100法拉的电容值，它们在完全充电时将提供想要的次数的工作周期。用于本发明的一个适当的超级电容可以从加利福尼亚圣地亚哥的麦斯威尔科技公司(Maxwell Technologies)买到。

按照本发明的一个方面，电源结合有两个100法拉的电容器，以给用户提供想要的运行时间和很多次的工作周期，而仍旧保持快速充电时间。按照本发明的一个特性，当两个超级电容被完全充电时，它们合在一起将提供至少一分钟的工作时间或工作运行时间。在本发明的另一个实施例中，当两个超级电容被完全充电时，将提供高达10分钟的工作运行时间。按照本发明的一个特定实施例，通过两个电容器完全充电，可以提供约250秒的运行时间。例如，这将提供约25个单独的10秒治疗周期。本发明人确定，通过利用如下面描述的独特充电电路充电的两个100法拉的超级电容将为发光装置提供约40秒的快速充电，而同时提供想要的运行时间，例如所指出的250秒运行时间。所以，多个超级电容与独特充电电路的独特组合为治疗发光装置提供想要的特性。

按照本发明的另一个特性，超级电容在进行充电或放电时不会显著发热，因此不会像电池那样产生很多热量而影响它们的工作寿命。所以，在每次完全再充电后可以得到持久的运行时间长度。而且，超级电容将持续高达500,000次充电循环，这为本发明的治疗发光装置的电源提供很长的寿命。

参照图27，充电器电路2100包括输入部分2102，如图27C所示。输入电路部分2102包括适当的DC插头2104，用于插入直流电源而提供12伏直流信号。这样的直流电源(未示出)通常包括交流插头和适当的转换器电路，用来把交流电转换成到想要电平的直流电，例如12伏直流。输入部分把12伏直流电传递到主电源部分2106，如图27B所示。主电源部分2106提供另外的直流信号转换，例如下降到直流5.4伏的电平。主电源部分结合有适当的转换器电路2108，以提供降压转换。在本发明的一个实施例中，转换器电路2108可以是10V/20A恒流、恒压降压转换器。

主电源部分提供适当的直流电压信号到电流源电路2120，电流源电路2120被耦合到超级电容，以便为超级电容充电。参照图27A，电流源电路2120包括用作电流源的子电路2122，2124。每个要被充电的超级电容有一个电流源电路(在示例性实施例中有两个超级电容)。电流源电路2122，2124则分别耦接到涓流充电电路，用于各个电流源电路。每个涓流充电电路2126和2128结束每个各自的超级电容的充电。

按照本发明的一个方面，如图27A所示，电流源电路2120为串联连接的超级电容提供三点连接。正如可以看到的，两个串联连接的超级电容具有到第一个超级电容连接的顶部连接点、各个超级电容互相连接的中间连接点、以及在第二超级电容处的底部连接点或接地点。具体地参照连接器2130，如图27A所示，到第一个超级电容的顶部连接点由电路迹线2132指示。电路迹线2134是两个超级电容之间的中间点连接。最后，电路迹线2136提供到第二个超级电容的接地连接。这样，各个电流源电路2122，2124和各自的涓流充电电路2126，2128被耦合到在迹线2132，2134，2136的三点连接中的每个超级电容。这样的三点连接提供超级电容的快速和有效的充电，并且还提供通常均等分布在超级电容上的全部电荷。

图27D和27E显示附加的工作电路，该附加的工作电路检测充电过程和指示由光电二极管进行的充电，诸如照亮指示器1008。

图27F和27G显示用于对充电过程进行所期望的控制的控制电路，包括图27F所示的微处理器或控制器单元2140，以及如图27G所示的寄存器电路2142。

图28显示用于发光装置1002的主控制电路2200。通常，主控制电路在发光装置主体1050的控制部分1060中的电路板1072上。参照图28A，主控制电路2200包括控制部分，控制部分包括适当的处理器或控制器2202，用于控制发光装置的工作。控制器2202与一个或多个开关2204，2206对接，这些开关例如由按钮1074驱动，如图25所示。开关控制制发光装置的打开/关闭特性以及所选择的治疗模式。主控制电路还包括指示器部分，如图28B所示，它包括各种LED2210，2212以及驱动器电路2214。LED提供想要的指示，例如通过指示器1094，用来指示治疗周期的长度(例如，5秒，10秒，20秒)以及特定的模式，诸如周期性电平偏移模式或非周期性电平偏移模式。

如图28C所示，主控制电路还包括适当的连接器2216，用于连接到放电电路，以便在治疗过程中使超级电容放电和驱动光引擎。

参照图29，图上显示按照本发明的一个实施例的放电电路。放电电路2220提供输入部分，如图29B所示，它与超级电容1068适当地耦合。如所显示的，超级电容依次放电，在超级电容上提供大致5.2伏的直流电，该直流电被适当的转换器电路器件2222转换成约3.3伏。输入电路也可以提供适当的音频元件，例如蜂鸣器或呼叫器2224，用于指示发光装置的工作，例如治疗周期完成。放电的适当控制通过连接器部分29D实现，连接器部分29D对应于主控制电路2200的连接器部分28C(见图28)。来自图29B所示输入部分的输出电压信号被提供到放电电路部分23A，23C，放电电路部分23A，23C被直接耦合到光引擎LED发射器，如图29所示。更具体地，图29A所示的电路部分包括升压转换器电路2226，用于驱动光引擎的LED发射器。升压转换器电路2226包括驱动FET2230的FET驱动器部件2228。如图29C所示，固态开关器件2232提供用于打开和关闭治疗发光装置的开关控制。

在本发明的一个实施例中，治疗发光装置具有主体，主体包括外壳和位于其端部的插座。可移除地固定到主体的端部具有近端和远端。近端被配置成插入主体插座，以便可拆卸地固定端部与主体。端部包括由导电导热材料制成的多个主体元件。主体元件彼此互相绝缘，在端部中形成分离的导电体。光引擎设置在端部的远端，与端部主体元件电连接，并且包括用来发射光的至少一个发光单元。非成像单元与在端部远端处的光引擎相耦合，用于捕获和瞄准所发射的光。非成像单元可包括非成像透镜。透镜可以具有截头圆锥部分。电源设置在主体外壳中并与插座中的电触点电连接。端部主体元件接合插座电触点，以便向光引擎供电传导电能。电源是可再充电的并包括至少一个超级电容单元，在一个实施例中，还可以包括一对超级电容。电源可操作用来提供至少1分钟的工作运行时间和用来提供长达10分钟的工作运行时间。在具体的实施例中，电源可用来提供约250秒的工作运行时间。

在另一个实施例中，治疗发光装置包括磁性机构，磁性机构配置成可将端部可拆卸地固定到插座。磁性机构可以提供在0.5到6磅范围内的力，用于把端部固定到插座中，并且可包括稀土磁铁。在一个具体的实施例中，磁性机构包括与主体和端部之一相耦接的磁铁，以及与主体和端部中的另一个相耦接的金属元件，用于把端部可拆卸地固定到插座中。

在另一个实施例中，端部包括主体元件，这些主体元件一起形成端部并且被绝缘体单元分隔开，从而电隔离主体元件。端部可以具有比近端更宽的基底，端部的近端扩展到基底以外，用于插入主体插座中。端部主体元件被配置成在端部的近端形成接触结构，接触结构接合插座电触点，用来传导电能。一个或多个端部主体元件具有实体部分和沿主体元件长度的中空部分。端部的主体元件用来从光引擎和端部的远端取走热量。在具体的实施例中，端部的主体元件被配置成从端部的远端取走热量并阻止正在治疗的牙髓的温度上升超过5摄氏度。

在另一个实施例中，治疗发光装置具有光引擎，光引擎包括三个发光元件并可操作用来提供1100-1800mW/cm²的输出功率。

在另一个实施例中，治疗发光装置包括用于接纳装置主体的充电器基座，用来对电源进行再充电。充电器基座具有重力，并包括被配置成被装置主体中的插座接纳的插头。插头和插座需要一移除力来把装置与充电器基座分开，该移除力小于充电器基座的重力，以便实现单手从充电器基座移出发光装置。充电器基座可包括辐射计传感器，辐射计传感器可操作用来测量发光装置的光输出。

虽然通过对本发明实施例的描述说明了本发明，并且详细描述了这些实施例，但本申请的意图并不是限制性的，并且也无意将所附权利要求的范围限制在如此的细节。本领域技术人员将容易看到其他的优点和修正方案。因此，本发明在其更宽的方面不限于代表设备和方法的具体细节，以及所显示的和描述的说明性例子。因此，可以对这样的细节做出变更，而不背离申请人的总的发明构思的精神或范围。

Claims (19)

1.一种治疗发光装置，包括：

主体，所述主体包括外壳和在其端部的插座；

端部，所示端部具有近端和远端，所述近端被配置成用于插入所述主体插座，以便可拆卸地固定所述端部于主体；

所述端部包括由导电导热材料制成的多个主体元件，所述端部的主体元件由绝缘元件分隔开而彼此电绝缘，以便在所述端部中形成分离的导电体；

光引擎，所述光引擎包括用于发射光的至少一个发光元件，所述光引擎置于所述端部的远端并与所述端部主体元件电连接；

所述端部的主体元件还共同形成散热器，所述散热器与所述光引擎进行热耦合，以便从所述光引擎取走热量；

非成像元件，所述非成像元件在所述端部的远端与所述光引擎耦接，用于捕获和瞄准所发射的光；

电源，所述电源被置于所述主体外壳中，与所述插座中的电触点电耦接，所述端部主体元件接合所述插座电触点，从而传导电能来为所述光引擎供电，所述电源可再充电并包括至少一个超级电容元件。

2.如权利要求1所述的治疗发光装置，其特征在于，所述治疗发光装置还包括磁性机构，所述磁性机构被配置成可拆卸地把所述端部固定到所述插座中。

3.如权利要求2所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述磁性机构提供在0.5到6磅范围内的力，用于将所述端部固定到所述插座中。

4.如权利要求2所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述磁性机构包括稀土磁铁。

5.如权利要求1所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述端部主体元件沿着所述绝缘元件的长度一起形成所述端部，以便电隔离所述主体元件。

6.如权利要求1所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述电源还包括一对超级电容。

7.如权利要求1所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述电源可操作用于提供至少1分钟的工作运行时间。

8.如权利要求1所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述电源可操作用于提供高达10分钟的工作运行时间。

9.如权利要求1所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述电源可操作用于提供约250秒的工作运行时间。

10.如权利要求1所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述光引擎包括三个发光元件，所述光引擎可操作用于提供1100-1800mW/cm²的输出功率。

11.如权利要求1所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述端部的主体元件被配置成从所述端部的远端取走热量，并阻止正在治疗的牙髓的温度上升大于5摄氏度。

12.如权利要求1所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述端部主体元件被配置成在所述端部的近端形成接触结构，所述接触结构接合所述插座电触点，以便传导电能。

13.如权利要求1所述的治疗发光装置，其特征在于，其中至少一个所述主体元件具有沿所述主体元件的长度的实体部分和空心部分。

14.如权利要求1所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述端部具有比所述近端更宽的基部，所述端部的近端延伸超过所述基部，用于插入所述主体插座。

15.如权利要求2所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述磁性机构包括与所述主体和端部中的一个相耦接的磁铁，以及与所述主体和端部中的另一个相耦接的金属元件，用于可拆卸地将所述端部固定到所述插座中。

16.如权利要求1所述的治疗发光装置，其特征在于，所述治疗发光装置还包括用于接纳所述装置主体的充电器基座，以便给所述电源充电，所述充电器基座提供重力并包括配置成被所述装置主体中的插座接纳的插头，所述插头和插座所需的用于把所述装置与充电器基座分开的移除力小于所述充电器基座的重力，以便于单手从所述充电器基座移出所述发光装置。

17.如权利要求16所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述充电器基座包括辐射计传感器，所述辐射计传感器用于测量所述发光装置的光输出。

18.如权利要求1所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述非成像元件是非成像透镜。

19.如权利要求18所述的治疗发光装置，其特征在于，其中所述非成像透镜具有截头圆锥截面。