CN117083988A - 光生物调节照射的自由空间输送中的分布式剂量 - Google Patents
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Abstract
一种照明系统，包括：第一光源，适于基本上仅发射600nm至1400nm范围内的第一预定光谱中的光；以及驱动器电路，布置为向第一光源提供第一脉冲电流以产生第一预定光谱中的光。驱动器电路适于在第一时段期间产生第一脉冲电流的多个脉冲并且在第二时段期间不产生电流脉冲，第一时段和第二时段彼此交替；并且第一脉冲电流在第一时段期间具有第一脉冲频率和第一占空比，第一脉冲频率为100Hz或更高，并且第一占空比为0.5％或更高。
Description
技术领域
本发明总体上涉及照明，并且更具体地涉及用于提供红光或近红外辐射以诱导光生物调节(PBM)响应的照明装置、照明系统和方法。
背景技术
已证明将一定量的红光(R)至近红外(NIR)辐射暴露至活的有机体可以诱导生物和/或生化反应，其产生例如刺激愈合、缓解疼痛和减少炎症的有益效果。为了采用这种称为光生物调节(PBM)的技术，传统方法是通过直接应用于或非常靠近接受治疗的人或动物的皮肤表面的专用设备来提供所需的辐射。
本申请的申请人已经提出了在通用照明系统的背景下经由自由空间辐射来传递PBM效应的概念。为了提供所需的照射强度水平，采用了R/NIR辐射源的高峰值脉冲，例如PCT公开WO 2020/119965 A1中所描述的。描述了各种范围的脉冲宽度和频率，以提供预期产生有益效果的目标PBM剂量。在这些范围内，实施例被描述为使得来自照明系统的可见光不会产生人眼可察觉的闪烁。这一目标的实现部分地利用了人眼对深红或NIR光不太敏感的事实。
诸如数码相机之类的电子成像系统具有比人眼对深红和NIR辐射更敏感的传感器(例如，CMOS或CCD传感器)。这可能导致PBM照明系统提供脉冲辐射，虽然人眼无法直接看到闪烁，但通过电子成像系统感知时仍会出现闪烁。这种“图像闪烁”可能会令人烦恼并破坏重要任务，例如医院环境中的患者健康监测。
因此，期望提供一种用于有效PBM辐射的自由空间输送的方法，该方法不会受到显著水平的人类可见闪烁或图像闪烁的影响。本发明旨在提供一种解决方案。
发明内容
期望提供一种装置，其易于使用，节能，成本有效并且仍发射足以诱导PBM响应的辐射量。
根据本公开的第一方面，提供一种照明系统，包括：第一光源，适于基本上仅发射从600nm到1400nm范围内的第一预定光谱中的光；以及驱动器电路，布置为向第一光源提供第一脉冲电流以产生第一预定光谱中的光。驱动器电路适于在第一时段期间产生第一脉冲电流的多个脉冲并且在第二时段期间不产生电流脉冲，第一时段与第二时段彼此交替，并且第一脉冲电流在第一时段期间具有第一脉冲频率和第一占空比，第一脉冲频率为100Hz或更高，并且第一占空比为0.5％或更高。
驱动器电路可以适于产生第一脉冲电流，该第一脉冲电流的脉冲的幅度在第一时段的第一部分期间对于脉冲中的连续脉冲增大，并且在第一时段的最后部分期间对于脉冲中的连续脉冲减小。驱动器电路可以适于产生第一脉冲电流，该第一脉冲电流的脉冲的幅度在第一时段的第二部分期间基本恒定。驱动器电路可以适于产生第一脉冲电流，该第一脉冲电流的脉冲的脉冲宽度在第一时段的第一部分期间对于脉冲中的连续脉冲增大，并且在第一时段的后续部分期间对于脉冲中的连续脉冲减小。
驱动器电路可以适于产生第一脉冲电流，该第一脉冲电流具有每秒24个脉冲和/或每秒30个脉冲的倍数的脉冲频率，和/或具有市电电源频率的倍数的脉冲频率，和/或具有能够记录图像和/或视频的成像装置的帧率的倍数的脉冲频率。驱动器电路可以适于产生具有0.05ms或更大的脉冲宽度和/或具有0.05ms或更长的脉冲之间的时段的第一脉冲电流。
在本公开的另一方面，提供了一种照明系统，包括：第一光源，适于基本上仅发射600nm至1400nm范围内的第一预定光谱中的光；以及驱动器电路，适于向第一光源提供第一电流以产生第一预定光谱中的光。驱动器电路配置为在第一时段期间提供第一电流而在第二时段期间不提供第一电流，第一时段和第二时段彼此交替，并且驱动器电路配置为在每个第一时段的第一部分期间逐渐增大第一电流的幅度，并且在每个第一时段的最后部分期间逐渐减小第一电流的幅度。驱动器电路可以配置为在每个第一时段的第二部分期间将第一电流维持在基本上恒定的幅度，第二部分出现在每个第一时段的第一部分和最后部分之间。
根据第一或第二方面的照明系统可以配置为使得第一时段与第二时段之间的比率可以为1:10或更小，并且可以配置为使得距第一光源0.2至5m之间的平均距离处产生的照射强度为1mW/cm2或更大，优选地在0.4至50mW/cm2之间，并且更优选地在1至15mW/cm2之间。照明系统可以配置为使得在距第一光源0.2和5m之间的平均距离处的照射强度足以在人体中引起光生物调节效应。在距第一光源0.2至5m之间的平均距离处8小时内输送的剂量可以在0.01至50J/cm2之间，并且优选地在0.1至10J/cm2之间。
根据第一或第二方面的照明系统还可以包括适于发射适合一般照明的白光的第二光源，其中第二光源在工作时适于发射至少250流明，优选地至少1000流明，更优选地至少2000流明。由第二光源发射的白光可以被引导到一个或多个反射器上，使得白光从具有半功率全宽角为2x23度或更大的辐射方向图的照明系统发射。由第一光源发射的光可以从具有半功率全宽角为2x45度或更小的辐射方向图的照明系统发射。
照明系统可以包括照明用具，其中第一光源和第二光源以及一个或多个反射器安装在照明用具中。照明系统可以包括用于对工作空间进行照明的灯，其中第一光源和第二光源以及一个或多个反射器安装在灯中，灯适于将来自第二光源的白光引导至工作空间并将来自第一光源的光引导至用户。
附图说明
现在将参考所附示意图仅通过示例的方式描述实施例，其中相应的附图标记指示相应的部分，并且其中：
图1是根据本公开实施例的照明系统的示意图；
图2是表示对不同波长的光的敏感度的图；
图3示出了以各种频率脉冲的NIR LED阵列的图像；
图4是示出来自示例性照明用具的照明光和PBM辐射的分布的图；
图5是示出来自另一示例性照明用具的照明光和PBM辐射的分布的图；
图6是台灯中的照明系统的实施例的示意图；
图7A和图7B是用于驱动PBM光源的脉冲电流的图；
图8是根据本公开实施例的用于驱动PBM光源的脉冲电流的图；
图9A是根据本公开另一实施例的用于驱动PBM光源的脉冲电流的图；
图9B是根据本公开另一实施例的用于驱动PBM光源的脉冲电流的图；
图10A是用于驱动PBM光源的非脉冲电流的图；以及
图10B是根据本公开实施例的用于驱动PBM光源的非脉冲电流的图。
附图仅用于说明目的，并不作为对权利要求所设定的保护范围的限制。
具体实施方式
以下是仅通过示例并参考附图给出的本发明的某些实施例的描述。
提供自由空间辐射系统以输送红光(R)(600-700nm)和/或近红外(NIR)(700-1400nm)光谱中的辐射，并且能够在目标对象上达到照射强度水平，以在目标对象中诱导有意义的PBM反应，例如，如国际申请号PCT/EP2020/083093和国际公开号WO 2020/119965中所述，这两个文件的全部内容通过引用并入本文。
图1是这种系统的实施例的示意图。系统10包括电源13，其向控制系统14、脉宽调制(PWM)信号发生器15以及用于驱动一个或多个发光二极管(LED)12的驱动器电路17输送电力，其中LED是PBM的主要辐射源。PBM LED 12的峰值发射波长在R或NIR光谱范围或其组合内。系统还可以包括用于驱动照明光源的驱动器电路16，例如用于产生白光的可见光谱LED 11。光源11和LED 12的辐射输出水平由控制系统结合PWM信号发生器15和驱动器电路16、17来确定。控制系统14可以通过控制设备(例如调光器)或者经由网络或应用程序的通信从用户获取输入18。而且，诸如接近传感器或环境光传感器的传感器19可以向控制系统10提供输入。
PBM LED 12可以集成在照明光源11(其可以是LED，但可以包括传统光源，例如白炽灯、荧光灯或放电灯)之中，或者单独包含。而且，照明光源11和PBM LED 12可以具有如图1所示的单独的驱动器电子器件16、17，使得它们可以独立地动作，或者可以共享驱动器电子器件。
用脉冲电流驱动PBM LED 12是有效的，因为在人或其他对象目标中引起PBM效应涉及阈值效应。例如，普遍认为，皮肤表面的照射强度需要>1mW/cm2才能引起有意义的PBM效应。相比之下，使用白光实现500勒克斯(办公室照明的典型目标)的连续照明会导致照射强度低于0.2mW/cm2。由于诱导PBM的强度要求较高，从成本和能源使用的角度来看，长时间持续输送对PBM效应有意义的辐射可能是令人望而却步的。相反，在发射设备的持续高功率密度运行将导致热管理挑战(例如发射器过热)并可能导致PBM辐射输出下降和/或发射器工作寿命缩短的情况下，对R和/或NIR发射器(例如PBM LED 12)进行脉冲处理以克服上述照射强度阈值并输送有意义的PBM剂量可能是有利的，同时保持避免发射器过热的平均功耗。
替代地，可以通过将发射的光聚焦成比一般照明所需的辐射方向图更窄的辐射方向图来增大PBM照射强度。也就是说，与一般照明不同，在一般照明中构建环境的大面积区域需要一定程度的照射才能被看到，PBM辐射仅需要被引导到对象目标，对象目标可以位于指定位置，例如在桌子处的椅子上，或者在医院病房的床上。根据电磁辐射的平方反比定律，这允许聚焦或引导PBM辐射，从而在使用更少的光的情况下在更小的区域上产生更高的照射强度。例如，与可能对一般照明有用的朗伯发射(又名“余弦”分布)相比，随着辐射方向图半功率全宽(FWHP)角变窄，强度可能会增大，如下表1所示：
上述效果可用于减小实现PBM效应所需的目标照射强度水平所需的总功率量。使用这种方法，有可能超过使用连续波模式LED的PBM的照射强度阈值，同时仍然正确地管理热情况。在这种情况下，可能不需要对PBM LED 12施加脉冲。
当然，也可以通过将辐射源移动得更靠近目标对象来实现照射强度水平的增大，或者反之亦然。
作为比较例，可以选择PBM辐射系统来通过对其PBM LED施加连续脉冲来提供PBM剂量，使得对于在选定的持续时间内(比如八小时轮班制)经历该辐射的人来说可以经历理想的剂量。例如，PBM LED可以以10Hz的频率脉冲开启8ms的时段。在适当的照射强度水平下，例如1-10mW/cm2，可以实现2.3-23J/cm2的剂量。遗憾的是，虽然这个比较例可能不会导致PBM LED的人类可见闪烁，但它会产生图像闪烁。
用于电子成像设备(例如录像机和相机，包括通常内置于智能手机中的摄像头)中的传感器比人眼对红外光更敏感。图2示出了针对来自发射器的光的波长绘制的典型CCD传感器21、典型CMOS传感器22和典型人眼23的归一化敏感度。可以看出，CCD和CMOS传感器对600nm至1000nm以上波长区域的光比人眼更敏感。PBM辐射系统在此波长范围内发出的光可能会干扰这些设备的成像功能。具体地，在某些条件下，该波长范围内的脉冲辐射可能导致图像闪烁，该图像闪烁可能由此类成像设备记录，从而产生不期望的结果。
图3使用来自用指向NIR LED阵列的典型智能手机摄像头拍摄的视频的屏幕截图示出了来自脉冲NIR LED阵列的图像闪烁的一些示例。在第一个示例中，NIR LED阵列以10Hz的脉冲频率以脉冲形式开启8ms时段。这导致可以清楚地观察到图像闪烁。图3中的图像A是最终的屏幕截图，该图像较暗，因为脉冲LED在智能手机摄像头的整个帧周期内处于“关闭”状态。
可以增大频率以试图减少图像闪烁效应，同时适当地补偿脉冲持续时间以维持相同的剂量。发明人探索了这种效应，如图3中进一步所示。所示图像是由NIR LED阵列的智能手机摄像头生成的视频屏幕截图，该阵列以10至320Hz的可变频率在环境强度水平高到足以观察到的情况下施加脉冲；图像A为10Hz，B为20Hz，C为25Hz，D为30Hz，E为50Hz，F为80Hz，G为100Hz，H为320Hz。在10Hz、20Hz、25Hz、50Hz和80Hz观察到图像闪烁。图像闪烁在屏幕截图图像中显示为水平条纹。值得注意的是，在30Hz频率下观察不到图像闪烁，这对应于图3中用于成像的智能手机摄像头的帧率。还值得注意的是，在100Hz或更高频率下没有观察到可观察图像闪烁。
根据本发明的一方面，期望选择100Hz或更高的脉冲频率来对PBM LED 12施加脉冲以避免明显的图像闪烁。根据本发明的另一方面，期望为PBM LED 12选择脉冲频率，该脉冲频率是常用成像设备(例如智能手机摄像机)的典型帧率的倍数，特别是要在一个或多个PBM照明用具附近使用的成像设备的帧率的倍数。例如，如果相关成像设备的帧率是30帧每秒(fps)，则NIR PBM LED 12的脉冲频率的合适选择可以是30Hz、60Hz或90Hz，以及任何等于或超过约100Hz的频率。如果考虑多个成像设备帧率，例如24、30和60fps，这些帧率都可能用于常见的成像设备(例如智能手机和数码相机)，那么用于对PBM LED 12施加脉冲的合适的脉冲频率将为120Hz，但是也可以使用100Hz或更高。
对于本发明，照射强度是指在目标表面(例如人类对象的皮肤)处输送的光学辐射的密度。照射强度以每平方面积的光功率为单位描述，例如毫瓦每平方厘米(mW/cm2)。所输送的剂量是目标区域中的照射强度乘以所输送的照射持续时间的累积乘积。输送的剂量以每平方面积的能量为单位进行测量，例如焦耳每平方厘米(J/cm2)。对于PBM效应，垂直于目标表面的R和/或NIR照射强度水平的范围优选在0.4至50mW/cm2之间，并且更优选在1至15mW/cm2之间。每天的剂量范围优选在0.01至50J/cm2之间，更优选在0.1至10J/cm2之间，其可以分布在八小时的时段内。
用于输送用于PBM的自由空间辐射的系统可以采取多种形式。在一种形式中，PBMLED 12被合并在照明用具内，该照明用具可以以其他方式用于照亮用于一般照明目的的区域。例如，照明用具可以是安装在天花板中的照明器材。替代地，照明用具可以是位于建筑环境内的地板上或家具表面上的灯具。在一些情况下，PBM LED 12与照明LED 11(或其他光源)集成，使得它们被安装为彼此接近。在其他情况下，PBM LED 12和照明源11可以位于单独的区域中，并且可以被布置为根据目标应用输送不同的辐射方向图。这一点很重要，因为一般照明的典型辐射方向图和用于PBM的辐射方向图可能完全不同。
例如，考虑医院术后病房或重症监护病房内并安装在医院病床上方的凹槽照明用具的情况。图4中示出了这种凹槽照明用具的示例。凹槽照明用具40可以安装在天花板处，并且使用白色LED 41用于一般照明目的。照明LED 41(在图中不可见)定位在第一反射器42后面，第一反射器42将来自LED的光向上反射到附加反射表面43，附加反射表面43将照明光向下反射回来以照亮房间。所实现的来自照明用具的白色照明光的辐射方向图在一定程度上是朗伯分布，或所谓的“余弦”分布47。照明光的这种广泛分布有助于照亮建筑环境中的较大面积，这对于在被照亮的环境中执行一般任务非常有用。
凹槽照明用具40中还包括发射R和/或NIR光谱的PBM LED 45。PBM LED 45不被设计为将其辐射投射到所有方向，如白色LED 41的一般照明，而是将其辐射引导至目标区域，例如直接位于照明用具下方的医院病床。与如果PBM LED 45采用与照明LED 41相同的宽分布时所实现的照射强度相比，目标较窄辐射方向图48允许PBM LED 45为医院床上的对象实现更高的照射强度。
图5示出了包括用于普通照明的白色LED和PBM LED的凹槽照明用具的另一个示例，但是在抛物面凹槽照明用具50的情况下，对于照明LED(图中未示出)，其可以具有更宽的辐射图，即所谓的“蝙蝠翼”分布57。PBM LED(图中未示出)可以具有窄的、更有针对性的辐射方向图58，以有效地将有意义的PBM剂量输送至指定位置处的目标对象。
图6示出了采用台灯61的PBM应用60。在该特定示例中，照明LED 64被并入灯头中，并且提供宽辐射方向图65，其对于工作表面62(例如桌面表面)的大部分以及工作表面之外的区域的一部分的照明有用。另一方面，PBM LED 66被包括在灯轴处的单独模块中，并且布置有光学器件，使得它们所输送的辐射方向图67比照明LED 64的辐射方向图窄得多。PBMLED 66的辐射方向图67被设计为将有意义剂量的PBM辐射输送至坐在桌前的目标对象68。也就是说，PPM LED 66将对准人类对象68的暴露皮肤，例如手、脸、眼睛和颈部，以及可能的上臂、前臂和肩膀。PBM LED 66的窄辐射方向图67有助于有效地将辐射输送到目标区域，而不会将其浪费在无用的区域。
作为示例，PBM台灯61可被设计成将NIR辐射输送至坐在桌前的目标对象68。例如，桌子距对象68为100cm并且以对称辐射方向图对准直径100cm的宽照射区域，给出2x26.5度的目标FWHP。为了实现大于1mW/cm2的半功率角，所输送的瞬时辐射应大于7.8W。如下文所述，累积剂量可以以分布式方式输送，以实现积极的PBM效应，而不会导致目标对象的剂量过大，并且不会引起诸如图像闪烁的其他负面效果。
以下实施例可以包括之前描述的所有应用，以及许多其他应用，其中期望在照明器材中并入一个或多个光源以用于一般照明效应以及PBM效应。在此类应用中，优选的是减少或消除图像闪烁，如上所述。
本文所用的术语“一般照明”是指用于提高人们生活或工作或活动的空间的照明水平的照明，例如住宅、办公室、商业和工业建筑以及人们活动的户外场所。这意味着当空间太暗而无法进行所需的活动时，可以使用一般照明来提高空间的照明水平以进行此类活动，提供足够量的光以实现该空间的照明水平的所需增大。一般照明的典型照度水平为500lm/m2的水平或500lux(相当于50mlm/cm2)。这意味着一般照明的典型照度水平约为0.2mW/cm2，使用白光300lm/Wopt的典型流明等效辐射。一般照明的光源选择和照明设计应达到地区规范和标准规定的此量级的照度水平。例如，用于一般照明的单个照明灯具通常会发射至少250流明的白光，例如用于诸如台灯之类的工作照明，或者用于对较大空间进行照明的至少500流明或至少2000流明。非常大的空间(例如仓库或体育场)可能需要发光均超过10,000lm的多个照明灯具。
在系统10的第一实施例中，NIR PBM LED 12的驱动电流的脉冲率增大，同时脉冲宽度减小，以减少图像闪烁，同时保持相同的、连续的PBM剂量。NIR PBM辐射使用帧率为30fps的智能手机摄像头进行监控。在足够高的脉冲率(100Hz或更高)下，不再观察到图像闪烁。替代地，脉冲率可以选择为成像设备的帧率的倍数，在这种情况下也观察不到图像闪烁，如下表2所列。
| 脉冲宽度(ms) | 脉冲率(Hz) | 感知到图像闪烁 |
| 8.000(比较例) | 10 | 是 |
| 4.000(比较例) | 20 | 是 |
| 3.200(比较例) | 25 | 是 |
| 2.667(实施例1) | 30 | 否 |
| 1.600(比较例) | 50 | 是 |
| 1.000(比较例) | 80 | 是 |
| 0.800(实施例1) | 100 | 否 |
| 0.250(实施例1) | 320 | 否 |
| 0.125(实施例1) | 640 | 否 |
图7中示出了根据本实施例的与PBM LED的瞬时强度相关的脉冲串。图7A示出了与相对较低频率的脉冲率相关的脉冲串(具有脉冲宽度tp1和脉冲周期t1)以及不可接受的图像闪烁，而图7B对应于较高的脉冲率(具有较小的脉冲宽度tp2和较小的脉冲周期t2)，其可以被选择以避免如上所述的图像闪烁。由于高于PBM效应的阈值范围(由图中的最小照射强度阈值Imin表示)的累积强度是恒定的，因此每个脉冲串输送的剂量是相同的。只要占空因数tp/t(其中tp是单个脉冲宽度，t是脉冲周期)保持恒定，情况就是如此。
在系统10的第二实施例中，R/NIR PBM LED的脉冲率的选择被选择为在PBM照明用具附近使用的成像设备的帧率的倍数。例如，对于利用30帧每秒(fps)帧率的成像设备，PBMLED脉冲频率可以选择为30fps的倍数，例如30Hz、60Hz或90Hz。替代地，对于利用25帧每秒(fps)帧率的成像设备，PBM LED脉冲频率可以选择为25fps的倍数，例如25Hz、50Hz、75Hz或100Hz。
有可能的是，如果PBM脉冲宽度太短，则可能无法正确触发期望的PBM效应。特别是脉冲宽度低于1ms时，这是一个问题。这对诸如实施例1和2的连续剂量解决方案产生了挑战，因为维持固定的脉冲宽度和增大的频率成比例地增大剂量，从而存在潜在的目标对象的剂量过大的风险。
在这种情况下，降低照射强度可以被视为将总剂量降低至目标水平的选项。然而，如果PBM照射强度低于某个阈值(如图7和其他图中的最小强度范围所示)，治疗效果可能会面临风险。优选地，对目标对象的皮肤表面的照射强度为1mW/cm2或更大。在脉冲宽度足够长以确保PBM效应的高频脉冲串的情况下，简单地降低PBM LED强度可能不是补偿剂量过大的有效方法。
在系统10的第三实施例中，作为连续剂量的替代，可以应用分布式PBM剂量。在该方法中，PBM LED 12的驱动电流的脉冲率被增大到足以消除对图像闪烁的担忧，但是感兴趣持续时间(例如，八小时轮班)的总剂量是通过突发而非连续提供剂量来管理的。这在图8中示出。脉冲突发81的长度和突发82之间的时段可以针对应用适当地选择。在根据第三实施例的照明系统10中，驱动器电路17产生的用于驱动PBM LED 12的电流可以在第一时段81期间包括多个脉冲(具有脉冲宽度tpl和脉冲周期t1的多个脉冲)，并且在第二时段82期间没有电流脉冲。在PBM剂量时段中，具有脉冲的第一时段81和不具有脉冲的第二时段82优选地在突发循环时段t2上以连续方式彼此交替。脉冲电流在第一时段81期间可以具有预定的脉冲频率和占空比。第一脉冲频率可以被设置为100Hz或更高，并且第一占空比可以被设置为0.5％或更高。
例如，如果总(连续脉冲串)PBM剂量需要减小十倍，则PBM LED 12的驱动电流可以是脉冲的，使得脉冲以突发的形式出现，例如可以提供每10秒持续1秒、或每100秒持续10秒、或每10分钟持续1分钟等等的脉冲突发。在这种方法中，脉冲串只是以适当的时间间隔关闭，以便在整个感兴趣的持续时间内保持所需的剂量。这在下面的表3中示出，示出了与实施例3相关的示例，其中脉冲宽度为8ms并且脉冲率为100Hz。PBM照射强度是固定的，并选择在连续模式下以每100毫秒8毫秒的形式提供8小时内的最佳剂量。
开/关时段的选择对于应用应该是合理的。例如，考虑八小时轮班，优选的是在八小时时段内相对均匀地分布脉冲突发。例如，对于10％的“开启率”，每1分钟内6秒、每10分钟内1分钟或每小时内6分钟有脉冲突发，可得到理想的结果，即，大多数在照射区域内相互作用的目标对象可能会经历接近最佳水平的有意义的PBM剂量。这与在八小时持续时间内的单个48分钟时段内施加脉冲突发的情况相反。如果目标对象出于某种原因离开了照射区域，那么在此期间，其将经历次优的PBM剂量，或者可能根本没有剂量。
先前实施例的潜在问题可能是脉冲突发的突然开启或关闭可能会被旁观者或那些操作成像设备的人注意到。为了解决这个问题，系统10的第四实施例提供了脉冲突发的“逐步引入”，使得每个脉冲突发期间照射水平的逐渐增大不会被目标对象或该区域中的其他人察觉，并且数字成像设备的操作员不会反感，因为数字成像设备的自动调平功能可以处理这种变化，前提是其发生的时间尺度足够慢。该实施例在图9A中示出，示出了一个脉冲突发，该脉冲突发将在没有脉冲的时段之后重复，以在突发循环时段上形成交替的具有脉冲突发的第一时段和没有脉冲的第二时段，类似于第三实施例。
斜坡上升时间段tramp-up和斜坡下降时间段tramp-down可以足够慢以避免被最终用户注意到。选择脉冲处于最大值时的水平时间段tlevel和总开启时段，以在脉冲突发期间生成目标PBM剂量，使得PBM应用持续时间内的突发总和达到总目标PBM剂量水平。
在根据第四实施例的照明系统10中，驱动器电路17适于向PBM LED 12提供具有脉冲幅度的脉冲电流，所述脉冲幅度在第一时段的第一部分(tramp-up)期间针对连续的脉冲而增大(调高)，并且在第一时段的最后部分(tramp-down)期间针对连续的脉冲而减小(调低)。驱动器电路可以适于产生第一脉冲电流，第一脉冲电流具有在第一时段的第二部分(tlevel)期间基本恒定的脉冲幅度。
优选地，选择斜坡上升、水平和斜坡下降时间段的持续时间的选择，使得最终用户或成像设备不会检测到PBM辐射的存在。具体的选择将由详细的产品要求和总体目标剂量来确定，但通常希望斜坡上升和斜坡下降时间段为至少10秒，优选1分钟或更长，更优选5分钟或更长。
系统10的第五实施例利用脉宽调制(PWM)来缓慢斜坡上升至PBM剂量水平。在该实施例中，一旦满足开启触发条件，就提供脉冲宽度的“逐步引入”，从非常低的占空因数开始，使得随着脉冲持续时间系统地增加，每个脉冲期间剂量水平逐渐增大。当达到目标剂量速度时，脉冲宽度保持恒定。一旦达到累积目标剂量，脉冲宽度就会系统地减小，并最终关闭脉冲串，直到下一个周期准备开始。当脉冲频率足够高(最好高于100Hz)时，人眼将平均化效果并简单地感知(如果有的话)深红辐射缓慢、逐渐增加(类似于图9A的情况)，这不会被目标对象或该区域的其他人认为令人反感，并且对于数字成像设备的操作员来说也不会反感，只要这些变化在足够慢的时间尺度发生，数字成像设备的自动调平功能可以处理这种变化。该实施例在图9B中示出，示出了一个脉冲突发，该脉冲突发将在没有脉冲的时段之后重复，以在突发循环时段上形成交替的具有脉冲突发的第一时段和没有脉冲的第二时段，类似于第三实施例。
在根据第五实施例的照明系统10中，驱动器电路17适于向PBM LED 12提供脉冲电流，其中，脉冲的脉冲宽度tp在第一时段的第一部分(tramp-up)期间对于连续的脉冲增大(调高)，并且在第一时段的最后部分(tramp-down)期间对于连续的脉冲减小(调低)。驱动器电路可以适于产生第一脉冲电流，第一脉冲电流具有在第一时段的第二部分(tlevel)期间基本恒定的脉冲宽度。
优选地，选择斜升上升、水平和斜降下降时间段的持续时间的选择，使得最终用户或成像设备不会检测到PBM辐射的存在。具体的选择将由详细的产品要求和总体目标剂量来确定，但通常希望斜坡上升和斜坡下降时间段为至少10秒，优选1分钟或更长，更优选5分钟或更长。
在实施例4和5的极限情况下，其中脉冲的占空因数达到100％，PBM辐射源不再是高频脉冲的，而是在斜坡上升、水平和斜坡下降时间段期间简单地以连续波(cw)模式运行。在系统10的第五实施例中，该选项被实现并且提供与高频脉冲实施例相比更简化的信号发生器和驱动器电路15、17的优点。然而，与所有实施例一样，必须注意适当的散热器，从而管理辐射源的热环境，特别是在众所周知对温度敏感的R和NIR LED的情况下。
图10示出了利用PBM辐射源的连续波(cw)操作的示例的辐射强度轮廓。图10A中的顶部轮廓显示了使用cw操作的简单开/关突发模式。图10B中的底部轮廓显示了使用cw操作的斜坡上升/斜坡下降突发。对于其他实施例，选择强度轮廓使得总剂量(高于最小照射强度阈值，Imin)相同。
在根据第六实施例的照明系统10中，驱动器电路17适于在第一时段期间而不是在第二时段期间向PBM LED 12提供电流，第一时段和第二时段彼此交替，并且驱动器电路配置为在每个第一时段的第一部分期间逐渐增大第一电流的幅度，并且在每个第一时段的最后部分期间逐渐减小第一电流的幅度。驱动器电路17可以配置为在每个第一时段的第二部分期间将第一电流维持在基本上恒定的幅度，第二部分出现在每个第一时段的第一部分和最后部分之间。
示例
下面所示的数据示出了可以使用本领域普通技术人员所熟悉的技术应用于任何所公开的实施例的设计参数和计算的示例。该示例基于从PBM光源到目标表面的设计距离、目标表面处产生PBM效应所需的辐射强度以及目标表面上照射区域的目标直径。可以确定PBM LED所需的半功率角以及峰值和平均功率，以及PBM LED的数量和波峰因数。
对于这些设计参数，可以针对各种暴露持续时间计算在对象目标处用于提供PBM效应的剂量，并且计算“开启时间”比例，即PBM LED被通电时的时间百分比。
作为示例，PBM台灯可被设计成将NIR辐射输送至坐在书桌前的目标对象。台灯距对象约100cm，以对称辐射方向图对准100cm直径宽照射区域，提供目标FWHP 2x26.5度。为了实现半功率角大于1mW/cm2，所输送的瞬时(或峰值)辐射应大于7.8W，这样PBM LED的总发射功率将是其两倍，即15.7W。PBM脉冲频率可以选择为100Hz，以避免图像闪烁问题。PBM脉冲宽度可以是2ms，这给出了20％的占空比因数。因此，平均PBM功率输送将为3.14瓦。使用三个NIR LED可以实现这一点，例如Lumileds推出的用于Automotive Line L1I0-A850050000000产品的商用LUXEON IR Domed。这些设备在连续dc模式下每个发射器能够对于1A提供1.35W。其中三个能够输送～4W，需要约4的“波峰因数”(即可实现的峰值输出功率与连续dc功率之比)，鉴于数据表建议的最大脉冲电流为5A(即，波峰因数为5A/1A＝5)，这是很好实现的。
在这些条件下，台灯将在八小时内向目标区域输送5.8J/cm2的剂量。可能需要设定较低的剂量。例如，八小时内的总剂量可能设定为1J/cm2。在这种情况下，可以采用如下文更详细描述的分布式剂量。例如，PBM台灯的目标是整体“开启时间”比例为17％，或每小时约10分钟，例如以提供目标累积剂量。PBM灯的开启可能是简单的开/关方式，或者随着时间的推移缓慢逐步引入，以避免最终用户或目标区域附近使用的成像设备明显检测到。例如，PBM灯辐射可能在5分钟的时间段内从0W线性斜坡上升到峰值15.7W，然后在类似的时间段内斜坡回落，从而实现总累积剂量目标。显然，在详细的产品开发框架内，许多其他组合和规格是可能的，但所有这些都落入本发明的教导的范围内。
显然，除非明确说明，否则上面描述和解释的各种实施例是相互兼容的。因此，来自上述实施例的任意数量的特征的组合仍然在本公开的范围内。例如，示例性预定光谱、辐射源的示例性(峰值)发射功率水平和光源的示例性亮度的不同组合显然在本公开的范围内。另外，上述实施例中的特征可以被放弃或以其他方式省略。
Claims (20)
1.一种照明系统，包括：
第一光源，适于基本上仅发射600nm至1400nm范围内的第一预定光谱中的光；以及
驱动器电路，布置为向所述第一光源提供第一脉冲电流以产生所述第一预定光谱中的光；
其中，所述驱动器电路适于在第一时段期间产生第一脉冲电流的多个脉冲并且在第二时段期间不产生电流脉冲，所述第一时段和所述第二时段彼此交替；并且
其中，所述第一脉冲电流在所述第一时段期间具有第一脉冲频率和第一占空比，所述第一脉冲频率为100Hz或更高，并且所述第一占空比为0.5％或更高。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述驱动器电路适于产生具有脉冲幅度的第一脉冲电流，所述脉冲幅度在所述第一时段的第一部分期间对于所述脉冲中的连续脉冲增大，并且在所述第一时段的最后部分期间对于所述脉冲中的连续脉冲减小。
3.根据权利要求2所述的照明系统，其中所述驱动器电路适于产生具有脉冲幅度的所述第一脉冲电流，所述脉冲幅度在所述第一时段的第二部分期间基本恒定。
4.根据权利要求1所述的照明系统，其中所述驱动器电路适于产生具有脉冲的脉冲宽度的第一脉冲电流，所述脉冲的脉冲宽度在所述第一时段的第一部分期间对于脉冲中的连续脉冲增大，并且在所述第一时段的后续部分期间对于脉冲中的连续脉冲减小。
5.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述驱动器电路适于产生具有脉冲频率的第一脉冲电流，所述脉冲频率为每秒24个脉冲和/或每秒30个脉冲的倍数。
6.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述驱动器电路适于产生具有脉冲频率的第一脉冲电流，所述脉冲频率为市电电源频率的倍数。
7.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述驱动器电路适于产生具有脉冲频率的第一脉冲电流，所述脉冲频率为能够记录图像和/或视频的成像装置的帧率的倍数。
8.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述驱动器电路适于产生具有0.05ms或更大的脉冲宽度的第一脉冲电流。
9.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述驱动器电路适于产生第一脉冲电流，所述第一脉冲电流具有0.05ms或更长的脉冲之间的时段。
10.一种照明系统，包括：
第一光源，适于基本上仅发射600nm至1400nm范围内的第一预定光谱中的光；
驱动器电路，适于向所述第一光源提供第一电流以产生所述第一预定光谱中的光；
其中，所述驱动器电路配置为在第一时段期间提供第一电流，而在第二时段期间不提供第一电流，所述第一时段和所述第二时段彼此交替；
其中，所述驱动器电路配置为在每个第一时段的第一部分期间逐渐增大所述第一电流的幅度，并且在每个第一时段的最后部分期间逐渐减小所述第一电流的幅度。
11.根据权利要求10所述的照明系统，其中所述驱动器电路配置为：在每个第一时段的第二部分期间将所述第一电流维持在基本上恒定的幅度，所述第二部分出现在每个第一时段的第一部分和最后部分之间。
12.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中所述第一时段与所述第二时段之间的比率为1:10或更小。
13.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中距所述第一光源0.2至5m之间的平均距离处的照射强度为1mW/cm2或更大，优选地在0.4至50mW/cm2之间，并且更优选地在1至15mW/cm2之间。
14.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中距所述第一光源0.2至5m之间的平均距离处的照射强度足以在人体中引起光生物调节效应。
15.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中距所述第一光源0.2至5m之间的平均距离处，8小时内输送的剂量在0.01至50J/cm2之间，并且优选地在0.1至10J/cm2之间。
16.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，还包括适于发射适于一般照明的白光的第二光源，其中，所述第二光源在工作时适于发射至少250流明，优选地至少1000流明，更优选地至少2000流明。
17.根据权利要求15所述的照明系统，其中由所述第二光源发射的白光被引导到一个或多个反射器上，使得所述白光从具有半功率全宽角为2x23度或更大的辐射方向图的照明系统发射。
18.根据前述权利要求中任一项所述的照明系统，其中由所述第一光源发射的光从具有半功率全宽角为2x45度或更小的辐射方向图的照明系统发射。
19.根据权利要求16-18中任一项所述的照明系统，包括照明用具，其中所述第一光源和所述第二光源以及所述一个或多个反射器安装在所述照明用具中。
20.根据权利要求16-19中任一项所述的照明系统，包括用于对工作空间进行照明的灯，其中所述第一光源和所述第二光源以及所述一个或多个反射器安装在所述灯中，所述灯适于将来自所述第二光源的白光引导至工作空间并将来自所述第一光源的光引导至用户。
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