CN113397461A - 内窥镜的3dled照明头端座及其制造方法、内窥镜头端部、内窥镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内窥镜的3DLED照明头端座及其制造方法、内窥镜头端部、内窥镜，属于内窥镜领域。本发明的3DLED照明头端座包括安装有晶圆的基板，以及通过注射成型的方式形成于基板上的头端座本体，用于封装晶圆；头端座本体上形成有功能通道；头端座本体至少部分由混合有荧光粉的光学材料制成，使得头端座本体内的荧光粉能够被晶圆发出的蓝紫光激发发光，从而使头端座本体、晶圆、基板三者共同形成为3DLED光源，避免现有技术中因功能通道内的部件对光线的阻挡而产生光照暗域的问题，提高了内窥镜照明的均匀度。本发明的内窥镜，有效地解决了采用LED做冷光源中存在的光照不均匀、照度不够的难点问题。

Description

内窥镜的3DLED照明头端座及其制造方法、内窥镜头端部、内 窥镜

技术领域

本发明涉及内窥镜技术领域，更具体地说，涉及一种内窥镜的3DLED照明头端座及其制造方法、内窥镜头端部、内窥镜。

背景技术

医疗内窥镜需要对被摄体进行照明以对较暗的体腔内进行观察。通常来说，按照冷光源设置的方式来划分，医用内窥镜可分为两种。一种方案是利用卤素灯或者大功率LED作为光源，并利用光纤将卤素灯或者大功率LED发出的光传导至内窥镜头端部，实现照明，例如公开号为CN103517661A的中国专利文件公开的一种光纤的制造方案、光纤以及内窥镜。另一种方案是将LED安装在内窥镜头端部位，并安装绝缘透明材料制成的外罩，利用内窥镜头端部的LED提供照明，例如公开号为CN109742197A的中国专利文件公开的一种内窥镜micro-LED光源及其制备方法。

采用光纤传导方式的内窥镜体积大、结构复杂、能耗高，同时考虑到光纤传导方式的内窥镜成本较高，实际使用时通常会在消毒杀菌后重复使用。然而，由于内窥镜的结构复杂，无法彻底地消毒杀菌，重复使用存在交叉感染的风险。

在头端设置LED的内窥镜结构紧凑、光通量效率高，且成本较低，可以作为一次性内窥镜的解决方案。然而，内窥镜的头端上通常设置有功能通道，例如用于安装摄像模组的通道、用于容纳手术器械的通道，这些功能通道会对LED照射路径造成阻挡，从而在被摄体上形成照明暗域，降低了被摄体的照明效果，这是在头端设置LED的内窥镜的难点和痛点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中头端设置光源的内窥镜容易产生照明暗域的不足，提供一种3DLED照明头端座，旨在提高内窥镜头端部上光源照射的均匀度。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种内窥镜的3DLED照明头端座，包括安装有晶圆的基板，以及与基板连接的头端座本体，所述头端座本体上形成有功能通道；所述头端座本体至少部分由混合有荧光物质的光学材料制成，并用于封装所述晶圆，从而使头端座本体、晶圆、基板三者共同形成为能够向三维空间内多个角度发光的3DLED光源，避免现有技术中因功能通道内的部件对光线的阻挡而产生光照暗域的问题，提高了内窥镜照明的均匀度。

进一步地，所述晶圆为2颗以上，2颗以上的所述晶圆围绕所述功能通道在基板上的对应区域设置，且各所述晶圆的发光区域相配合，从而完成对头端座本体中的荧光物质激发，均衡头端座本体中的荧光物质被激发发光的程度，提高对被摄体光照的均匀度；此外，通过在基板上设置2颗以上的晶圆，并控制电流的大小，平衡电流、温度和照度的关系，最大限度地提高内窥镜头端部对于被摄体的照明效果。

根据权利要求2所述的一种3DLED照明头端座，其特征在于：2颗以上的所述晶圆关于所述基板的中线对称设置，或者关于所述基板的中心点对称设置，或者无规则地排布在所述基板上。

进一步地，2颗以上的所述晶圆中至少有一颗位于所述功能通道的一侧，其余的所述晶圆位于所述功能通道的另一侧。

进一步地，所述头端座本体通过注射成型的方式形成在所述基板上。

进一步地，所述头端座本体具有与所述晶圆的发光路径对应的发光部，以及位于所述基板以下的连接部；所述发光部由混合有荧光物质的光学材料注射成型，所述连接部由黑色不透明材料注射成型。

进一步地，所述发光部的外侧面设有遮光部，所述遮光部由黑色不透明材料注射成型。

进一步地，所述晶圆发出的光与所述荧光物质发出的光叠加后，色温的范围为5000K～6000K，以使得照明后的被摄体易于观察。

本发明的一种用于制造上述的3DLED照明头端座的方法，利用混合有荧光物质的光学材料在安装有晶圆的基板上形成头端座本体的过程中，形成功能通道，并实现对所述晶圆的封装。

本发明的一种内窥镜头端部，包括3DLED照明头端座和摄像模组，所述3DLED照明头端座为上述的3DLED照明头端座，所述摄像模组固定连接在所述3DLED照明头端座的基板上，并安装于所述3DLED照明头端座的头端座本体的功能通道中；或者，

所述摄像模组穿过所述基板设置，并容纳于所述功能通道中。

进一步地，所述功能通道还包括器械通道、传感器通道、水通道、气通道、负压通道和喷嘴通道中的至少一种。

进一步地，所述摄像模组的顶端高出所述头端座本体顶端0.1～0.4mm设置。

本发明的一种内窥镜，包括上述的内窥镜头端部。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明中，3DLED照明头端座的头端座本体由混合有荧光粉的光学材料制成，使得头端座本体内的荧光粉能够被晶圆发出的蓝紫光激发发光，从而使头端座本体、晶圆、基板三者共同形成为3DLED光源，避免现有技术中因功能通道内的部件对光线的阻挡而产生光照暗域的问题，提高了内窥镜照明的均匀度。

(2)本发明中，晶圆的数量可以设置为2颗以上，晶圆占据的空间大小远小于LED，因而可在内窥镜头端部上设置更多个晶圆，配合电流大小的控制，在将内窥镜头端部的温度控制在40℃以下的基础上，提高被摄体的照度，从而平衡照度、温度和总电流之间的关系，最大限度地提高内窥镜头端部对于被摄体的照明效果。

(3)本发明的内窥镜，其照明效果至少与光纤传导方式的内窥镜相当，但其制造工艺简单、组装过程方便，且成本远低于光纤传导方式的内窥镜，是有效且高效的一次性内窥镜解决方案。

附图说明

图1为光纤传导的内窥镜和光源设置头端的内窥镜照明效果示意图；

图2为光源设置头端的内窥镜产生暗域的原理示意图；

图3为本发明的3DLED照明头端座照明效果示意图；

图4为本发明的3DLED照明头端座的光照路径示意图；

图5为本发明的3DLED照明头端座的结构示意图；

图6为本发明的3DLED照明头端座中功能通道的结构示意图；

图7为本发明中晶圆设置数量和位置排布的示意图；

图8为本发明中晶圆的电路示意图；

图9为本发明中晶圆位置一种排布的示意图；

图10为本发明中晶圆位置另一种排布的示意图；

图11为本发明中晶圆位置又一种排布的示意图；

图12为本发明中头端座本体的结构示意图；

图13为本发明内窥镜头端部的结构示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1示出了采用光纤传导方式的内窥镜和在头端设置LED的内窥镜照明情况。其中，采用光纤传导方式的内窥镜光照分布均匀，照明效果较好；在头端设置LED的内窥镜光照分布不均匀，这种由于光照不均匀而在被摄体上形成相对较暗区域的现象，本实施方式称之为“暗域”。因此，在人体体腔内的复杂环境中，在头端设置LED的内窥镜容易产生暗域，从而影响医务人员的判断。

图2示出了现有设计中在头端设置LED的内窥镜结构。具体的，头端400上形成有若干个安装腔500和至少一个功能通道410；摄像模组可以安装在功能通道410内，安装腔500用于容置LED。应当知晓的是，LED的光束角度通常为8°、15°、25°、45°、60°、90°、120°，即使选用光束角度＞40°的宽光束LED，在功能通道410内各部件的遮挡下，头端设置LED的内窥镜也容易在被摄体上形成照明暗域，降低拍摄效果。

本实施方式为解决在头端设置LED的内窥镜容易产生照明暗域的问题，提供了一种3DLED照明头端座，该3DLED照明头端座利用混有荧光物质的光学材料直接对基板200上的晶圆300进行封装，并形成为带有若干个功能通道的头端座本体100。一方面晶圆300发出的可见光能够透过光学材料形成的头端座本体100并照射在被摄体上，另一方面晶圆300发出的蓝紫光能够激发头端座本体100内的荧光物质发光，提高了光通量。此外，由于晶圆300与头端座本体100共同构成发光光源，即本实施方式所称的“3DLED照明头端座”，降低了功能通道内部件对光线的阻挡，使得头端座本体100能够向三维空间内的多个角度发光，实现如图3示出的辐射发散。

图4示出了本实施方式的3DLED照明头端座的照射路径。一方面，由于3DLED照明头端座能够向三维空间内的多个角度发光，功能通道内的部件对3DLED照明头端座光照的照射路径遮挡相对较少，因而本实施例3DLED照明头端座对被摄体的光照更为均匀，不容易在被摄体上形成暗域；另一方面，相对于头端设置LED的内窥镜，本实施例的3DLED照明头端座其发光部整体上移，3DLED照明头端座的发光面/发光点更靠近被摄体，但晶圆等电子元器件与头端座顶端的距离没有改变，使得本实施方式的3DLED照明头端座在较大程度地降低功能通道及其内的部件对发光路径的阻挡的同时，能够确保头端座具有较高的电介质强度和静电抗扰度等性能，兼顾了内窥镜的安全性。

以下，

作为3DLED照明头端座的第一实施例，图5示出了3DLED照明头端座的具体结构。在本实施例中，3DLED照明头端座包括头端座本体100、基板200和晶圆300。晶圆300设置于基板200上，基板200上引出有第一电极201和第二电极202，用于向基板200上的晶圆300供电；晶圆300被配置为至少能够发出蓝紫光，用于激发荧光物质。

头端座本体100由混有荧光物质的光学材料制成。其中，光学材料可以是聚碳酸酯、聚十二内酰胺、AB胶、光敏胶等有机材料，荧光物质可以是任何能够被蓝紫光激发成为激发态，并在电子跃迁回到基态的过程中产生特定波长荧光的物质，例如异硫氰酸荧光素、四乙基罗丹明、四甲基异硫氰酸罗丹明、藻红蛋白等荧光色素，又例如是4-甲基伞酮、镧系螯合物等其他荧光物质。荧光物质也可以是上述任意两种以上物质的混合。

此外，晶圆300与荧光物质种类具有配合关系，即，本实施例中的晶圆300发出的光与荧光物质发出的光相叠加后，其色温可以控制在5000K～6000K范围内，例如5200K、5500K、5700K，从而提高对被摄体的拍摄效果。

当光学材料为聚碳酸酯等有机透明材料时，头端座本体100可以通过注射成型的方式形成在基板200上，实现对LED芯片的封装，即对基板200上各晶圆300的封装。同时，在光学材料通过注射成型的方式形成为头端座本体100的过程中，光学材料可在设计形状的模腔内形成为特定形状，并形成有功能通道。

此外，头端座本体100的形成方式还可以是利用注塑、灌封、3D打印、UV光固化等工艺，在基板上形成头端座本体100。

参照图6，功能通道可以是用于安装摄像模组的摄像模组通道110，也可以是用于容纳手术器械的器械通道120，手术器械能够通过器械通道120伸出头端座，以完成各种手术操作。

一般来说，摄像模组通过焊接的方式直接固定连接在基板200上，例如可在基板200上设有摄像模组安装位203，基板200在摄像模组安装位203内的位置处可以开设若干连接孔，并将模组通道110的支脚穿过连接孔后完成焊接，摄像模组可以是CCD或CMOS模组。

此外，也可以在基板200上设置摄像模组通口，该摄像模组通口可以是开设在基板200上的通孔，也可以是形成在基板200上的缺口，摄像模组通过摄像模组通口从基板下方伸出并容置在摄像模组通口中。

基板200上还可设置手术器械通口204，该手术器械通口204可以是开设在基板200上的通孔，也可以是形成在基板200上的缺口。

以下，

应当知晓的是，LED的光电转换效率仅为20～30％，剩余的电能均转换为内能，即LED中，大部分的电力转变为热量而被损耗。在头端设置LED的内窥镜，其LED转变而来的热量会引起内窥镜头端部的温升。为防止内窥镜的头端温度过高，通常的做法是控制LED的电压，进而控制LED的产热。而在现有技术中，受到散热问题的限制，内窥镜头端部内设置的LED数量无法轻易增加，LED工作时负载电压的大小也无法轻易提高，因而很难在将内窥镜头端部附件的温度控制在40℃以下的基础上提升内窥镜头端部整体的光通量。

还应当知晓的是，LED为非相关光源，随着内窥镜头端部上LED数量的增加，被摄体的照度也会增加，两者之间正相关。然而，内窥镜头端部的空间有限，限制了LED可安装的数量，但在本实施例中，晶圆300占据的空间大小远小于LED，因而本实施例可在内窥镜头端部上设置更多个晶圆300，从而提高被摄体的照度。

因此，作为3DLED照明头端座的第二实施例，为进一步提高光通量，晶圆300数量可以设置为2颗以上，例如3颗、4颗、5颗、6颗、8颗、10颗。同时，各晶圆的发光区域相互配合，尽量使得头端座本体内的荧光物质均能被有效激发，并使得头端座本体内的所有荧光物质能以较为相当的程度被激发发光，从而提高对被摄体光照的均匀度。

作为本实施例具体的一种实现方式，参照图7，基板200被功能通道分割为左右两侧，功能通道的左右两侧可以各设置4颗晶圆300。参照图8，当晶圆300设置为2颗以上时，晶圆300可分为若干组，每组内晶圆300的数量相同，每组间的晶圆300之间为并联连接，各晶圆300上负载的电压相同，3DLED照明头端座上各晶圆的总电流量为各晶圆300电流量的总和。此时，可以通过各晶圆电流的大小，从而控制3DLED照明头端座的总电流量，实现对内窥镜头端部温度的控制，对晶圆电流控制可在基板电路设计中完成。

作为其他实现方式，参照图9，晶圆300可以成两组设置，两组晶圆300分别排布在功能通道的两侧，两侧晶圆300关于基板200的中线对称设置，或者关于基板200的中心点对称设置；参照图10，晶圆300可以每两个为一组的设置，每组晶圆300之间可以均匀地排布在基板200上，即有规则地分布在基板200上，也可以无规则地排布在基板200上；参照图11，晶圆300可以单独成组设置，即每一组晶圆300仅包含一颗晶圆300，晶圆300可以均匀地排布在基板200上，也可以无规则地排布在基板200上。

此外，为了提高各晶圆的发光区域配合效果，2颗以上的晶圆中至少有一颗位于功能通道的一侧，其余的晶圆位于功能通道的另一侧，从而提高功能通道两侧的荧光物质均能够得到有效的激发。

以下，

作为3DLED照明头端座的第三实施例，头端座本体100可以采用双色注射成型。具体的，头端座本体100可以包括发光部和连接部。头端座本体100上与晶圆300的发光路径对应的部分为发光部，发光部可以采用混有荧光物质的光学材料进行注射成型；头端座本体100位于基板以下的部分为连接部，连接部可以采用不透明材料进行注射成型。

作为一种实现方式，参照图12，头端座本体100在基板200以上的部分可以采用混有荧光物质的光学材料进行注射成型，因而头端座本体100上基板200以上的部分作为荧光发光部位，即为发光部；头端座本体100在基板200以下的部分可以采用不透明材料进行注射成型，该部分可以作为与内窥镜主软管连接的连接部。此时，由于晶圆300发出的光在不经过折射或反射的情况下，无法照射到头端座本体100上基板200以下的部分，将头端座本体100的连接部，即图12中的连接部102采用不透明材料注射成型。

此外，头端座本体100的连接部102部分还可以采用黑色不透明材料进行注射成型，从而提高基板200以下的部分对基板200的吸热效果，进而提高内窥镜头端部的散热效果。

作为另一种实现方式，头端座本体100上基板200以上的部分中，头端座本体100的外侧面也可采用不透明材料进行注射成型，形成为遮光部101；头端座本体100仅在上端面103，上端面与外侧面之间过渡的斜面104，以及头端座本体100的内部，采用混有荧光物质的光学材料进行注射成型，头端座本体100的上端面103、上端面与外侧面之间过渡的斜面104，以及头端座本体100的内部作为发光部。

其中，头端座本体100的外侧面指的是，头端座本体100外侧上与基板200垂直的侧面，本实现方式中对基板200以上的部分进行不透明材料的注射成型，其目的在于提供一种类似于“遮光罩”的结构，使得内窥镜头端部的3DLED照明头端座发出的光线更加集中。

应当指明的是，作为实心结构的头端座本体100，其外侧面采用不透明材料进行注射成型，仅针对的是头端座本体100外侧面，以及头端座本体100上靠近外侧面的部分；头端座本体100的内部仍采用混有荧光物质的光学材料进行注射成型。

此外，也可以在头端座本体100的外侧面上形成一层不透明的遮光层，取代本实现方法针对头端座本体100的外侧面的不透明材料注射成型方法。具体可以通过涂覆、沉积等方法在头端座本体100的外侧面上形成遮光层。

作为更进一步地优化，遮光层与头端座本体100的外侧面接触的一侧可以为反光材料，或者通过涂覆、沉积等方法在头端座本体100的外侧面上形成一层反光层，再通过涂覆、沉积等方法在反光层上形成一层遮光层。

以下，

作为内窥镜头端部的实施例，头端具体可以包括头端座和摄像模组，以及头端座下方的连接部，头端座可以为本实施方式中的3DLED照明头端座。摄像模组与3DLED照明头端座中的基板200连接，并被设置在头端座本体100的摄像模组通道110中。

摄像模组的顶端可以高出头端座本体顶端0.1～0.4mm设置，从而防止杂光降低摄像模组的拍摄效果。

头端的形状和结构可根据内窥镜的应用场景进行调整。具体的，按照应用场景划分，医用内窥镜可包括神经内镜、脑室镜、检眼镜、气管镜、喉镜、胸腔镜、血管镜、肾镜、脊柱镜、直肠镜、结肠镜、关节镜、耳镜、鼻镜、支气管镜、纵膈镜、胃镜、十二指肠镜、胆道镜、胶囊内镜、腹腔镜、肛门镜、膀胱镜、宫腹镜、宫内肾镜等。

参照图13，在一些应用场景中，头端的上端面可以为平面，侧面为圆柱面，例如图13c、图13e、图13f中示出的内窥镜头端部；在一些应用场景中，头端的上端面与侧面之间可以设置若干过渡的斜面，例如图13a、图13b、图13d中示出的内窥镜头端部。

在大部分实现方式中，头端上还设置有手术器械，用于完成对被摄体的手术操作。手术器械至少部分容置在头端座本体100的器械通道120中，器械通道可以用于提供手术器械伸出3DLED照明头端座的通道。当然，在一些应用场景中，器械通道可以设置在头端下方的侧面。即，器械通道可以不设置在头端座本体100上，例如图13e示出的方案。

在一些应用场景中，头端上还可以安装有喷嘴，以实现对被摄体以及镜头的清洗，例如图13c示出的方案。具体的，可以在3DLED照明头端座的头端座本体100上设置水通道130，并在基板200上设置水通道通口205，喷嘴穿过水通道通口205并安装在水通道130中，该水通道130为功能通道的其中一种实施形式。

此外，功能通道还可以是传感器通道、气通道、负压通道或喷嘴通道。当然，在一些实施例中，同一功能通道还能够同时作为摄像模组通道、器械通道、传感器通道、水通道、气通道、负压通道和喷嘴通道中至少两种使用的复合通道。

本实施方式还提供了一种内窥镜，该内窥镜的头端包括本实施方式的3DLED照明头端座，因而本实施方式的内窥镜，解决了现有的在头端设置LED的内窥镜存在光照暗域的问题，提高了对被摄体光照的均匀性。本实施方式的内窥镜，其照明效果与光纤传导方式的内窥镜相当，但其制造工艺简单、组装过程方便，且成本远低于光纤传导方式的内窥镜，是有效且高效的一次性内窥镜解决方案。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种内窥镜的3DLED照明头端座，其特征在于：包括安装有晶圆的基板，以及与基板连接的头端座本体，所述头端座本体至少部分由混合有荧光物质的光学材料制成，并用于封装所述晶圆；所述头端座本体上形成有功能通道。

2.根据权利要求1所述的一种内窥镜的3DLED照明头端座，其特征在于：所述晶圆为2颗以上，2颗以上的所述晶圆围绕所述功能通道，并在基板上的对应区域设置；各所述晶圆的发光区域相配合。

3.根据权利要求2所述的一种内窥镜的3DLED照明头端座，其特征在于：2颗以上的所述晶圆关于所述基板的中线对称设置，或者关于所述基板的中心点对称设置，或者无规则地排布在所述基板上。

4.根据权利要求2所述的一种内窥镜的3DLED照明头端座，其特征在于：2颗以上的所述晶圆中至少有一颗位于所述功能通道的一侧，其余的所述晶圆位于所述功能通道的另一侧。

5.根据权利要求1所述的一种内窥镜的3DLED照明头端座，其特征在于：所述头端座本体通过注射成型的方式形成在所述基板上。

6.根据权利要求1所述的一种内窥镜的3DLED照明头端座，其特征在于：所述头端座本体具有与所述晶圆的发光路径对应的发光部，以及位于所述基板以下的连接部；所述发光部由混合有荧光物质的光学材料注射成型，所述连接部由黑色不透明材料注射成型。

7.根据权利要求6所述的一种内窥镜的3DLED照明头端座，其特征在于：所述发光部的外侧面设有遮光部，所述遮光部由黑色不透明材料注射成型。

8.根据权利要求1所述的一种内窥镜的3DLED照明头端座，其特征在于：所述晶圆发出的光与所述荧光物质发出的光叠加后，色温的范围为5000K～6000K。

9.一种用于制造权利要求1～8任一项所述的3DLED照明头端座的方法，其特征在于：利用混合有荧光物质的光学材料在安装有晶圆的基板上形成头端座本体的过程中，形成功能通道，并实现对所述晶圆的封装。

10.一种内窥镜头端部，其特征在于：包括3DLED照明头端座和摄像模组，所述3DLED照明头端座为权利要求1～6任一项所述的3DLED照明头端座；

所述摄像模组固定连接在所述3DLED照明头端座的基板上，并安装于所述3DLED照明头端座的头端座本体的功能通道中；或者，

所述摄像模组穿过所述基板设置，并容纳于所述功能通道中。

11.根据权利要求10所述的一种内窥镜头端部，其特征在于：所述功能通道还包括器械通道、传感器通道、水通道、气通道、负压通道和喷嘴通道中的至少一种。

12.根据权利要求10所述的一种内窥镜头端部，其特征在于：所述摄像模组的顶端高出所述头端座本体顶端0.1～0.4mm设置。

13.一种内窥镜，其特征在于：包括权利要求10～12中任一项所述的内窥镜头端部。

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