CN117582609A - 一种紫外光疗系统及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光电技术领域，提供一种紫外光疗系统及其使用方法，该系统分为发光、紫外告警、安全监测和控制四个分系统。发光系统中，底层由反射材料制成，覆盖层由透射/反射分束比小于1、可调节的材料制成，覆盖层内侧等间距地设置微光学元件，底层内侧安装发光二极管阵列。采用微反射镜/微透镜同体结构，或者抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构，扩展发光二极管的有效照射面积，从而降低光斑功率密度，消除紫外辐射损伤DNA的隐患。采用光发射器/光探测器双功能可切换器件，作为紫外光探测器，把紫外辐射转换成可直接感知的警示信号，促使人员增强规避意识。在裸眼可能直接观看LED装置的场景，安全监测系统阻止违规开机。

Description

一种紫外光疗系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种紫外光疗系统及其使用方法。
背景技术
维生素D具有广泛的生理作用，其主要功能包括调节体内钙、磷代谢，维持血钙和血磷的水平。维生素D不足，不仅可导致老年人骨质疏松、骨折、关节疼痛，同时增高糖尿病、免疫性疾病、神经系统疾病、感染性疾病的风险。
人体内源性维生素D约 80% -90% 在皮肤的表皮层合成，仅10-20% 从食物中摄取。晒太阳是补充维生素D最简单、经济的方法。医学研究证明：发光二极管（LED，lightemitting diodes）产生的紫外光，是具备安全性的自然阳光替代品。与自然阳光相比，LED紫外光在皮肤中产生维生素D3的效率更高，效果更好。
国内外已试制成功多种紫外光疗器械，用于动物和人体试验、取得了明显疗效。在光疗专业领域存在以下待解决的技术问题：
可穿戴紫外光疗的特殊性在于，一方面，LED（light-emitting diode）贴近皮肤照射，才能产生显著疗效。另一方面，紫外线是一种不可见辐射。如果不慎照射剂量超过安全限，紫外辐射可能伤害眼和皮肤。
（1）光疗专业领域有待解决“既要近距离照射皮肤，又要减弱LED光斑功率密度”的问题；
Mini LED的发光功率虽小，但该器件是一种“点光源”，其管芯的功率密度却很高。
以1 mW级Mini LED为例, 其芯片输出面的功率密度高达1W量级（管芯 50µm*300µm）。在贴近皮肤的状态下，此功率密度数据远大于相关的医用安全标准。
已公开的光疗装置，采取“加长LED到皮肤的距离（使LED远离皮肤）”的方法，减小光斑的功率密度。以市售光疗装置为例，其厚度≥21 mm（即，LED到皮肤的距离≌ 20mm）。
在沿用传统技术方案的背景下，现有技术暂未解决“装置厚度小于10mm，LED近距离照射人体，且安全性达标”的技术难点。
注解1：法规依据，国家标准GB/T 41265-2022《可穿戴设备的光辐射安全要求》。
（2）传统光疗装置存在“LED紫外光近距离伤害人眼”的事故隐患：
LED体小量轻，使得治疗仪器可随身佩戴、居家光疗（一般没有医师陪护）。这是一种受民众欢迎的、新的康复模式。
但是，操作者贴身穿戴紫外光源，稍有不慎，紫外辐射近距离伤害人眼的事故概率很大。医用法规指出：近距离观看紫外LED阵列发光，可能引起光致角膜炎、光致结膜炎（或白内障）。
注解2：法规依据，国际标准Photobiological safety of Lamps and LampsSystems（CIE S 009/E:2002）及中国标准《灯和灯系统的光生物安全性》(GB/T 20145-2006)。
发明内容
本发明的目的是，既要贴近皮肤发射紫外光、产生显著疗效，又要避免紫外辐射近距离伤害人眼和皮肤。为消除现有技术方案的缺陷，本发明提出三项技术措施：
一是在装置厚度小于10mm的条件下，采用微反射镜/微透镜同体结构，或者抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构，扩展LED点光源的有效照射面积，从而降低光斑功率密度，消除紫外辐射损伤DNA的隐患。
措施之二：设置安全监测装置，在裸眼可能直接观看LED装置发光的场景，监测电路阻止违规开机行为（自动切断LED电源）。
措施之三：单只发光二极管一物两用，即采用光发射器/光探测器双功能可切换器件，作为紫外光探测器。把肉眼不可见的紫外辐射，转换成听觉可感知的音频“警示”信号，促使人员增强规避意识。
技术方案：本发明提供一种紫外光疗系统，包括发光系统、安全监测系统、紫外告警系统和控制系统，
其中，所述发光系统包括底层和覆盖层，所述底层与覆盖层之间有空气间隙；所述底层采用反射材料制成，该底层的内侧安装有发光二极管组成的阵列；所述阵列被划分为四小区，每小区至少有1只发光二极管能够在光发射器和光探测器两种功能之间可逆切换；
所述覆盖层采用紫外透射/反射分束比小于1、比值可调节的材料制成，其内侧等间距地设置有微光学元件；该微光学元件为微反射镜/微透镜同体结构，或者为抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构；
所述发光系统的作用是产生强度近似均匀分布的光斑、照射肌肤；其封装形式为可弯曲的夹层型、或者带围坝的COB型；
安全监测分系统由柔性触觉传感器、生理检测器、语音识别芯片、微动开关和信号处理电路组成，所述生理检测器为心音检测器或者脉搏检测器，所述安全监测系统用于阻止违规运行本紫外装置，用于预防紫外LED近距离照射人眼的事故隐患。
紫外告警系统由非可见光探测模块、VF变换器和音频信号放大电路组成，以发出紫外辐射具有潜在危险性的警示信号；其中，所述紫外告警系统与所述发光系统共用一种光发射器/光探测器双功能可切换器件；
控制分系统由集成电路芯片组成，根据手动指令或软件存储的操控程序，控制各分系统的运行状态。
微反射镜/微透镜同体结构4a的运行方式：
优选地，所述覆盖层和微光学元件的材料反射率≥60 %、透射率≤20 %；单只发光二极管位于单个微光学元件的光轴上。
覆盖层上等间隔地设置微反射镜/微透镜同体结构的微光学元件；该微反射镜/微透镜同体结构的微光学元件的内表面具有微反射镜功能，该微反射镜/微透镜同体结构的微光学元件与覆盖层外侧平面构成微透镜。紫外材料的透射/反射板可调节，为实现微反射镜/微透镜同体结构提供了材料基础；优选地，微反射镜/微透镜同体结构的微光学元件使用含氟聚合物；光路实例中，单只发光二极管具有点光源的属性，发光二极管所发射的锥形光束被变换成下述四类子光束：
所述锥形光束的第一部分，照射所述微反射镜/微透镜同体结构，形成透射子光束I和反射子光束II；根据透射成像定律，该透射子光束I被所述微反射镜/微透镜同体结构中的微透镜变换成放大的虚像光源；根据反射成像定律，该反射子光束II被所述微反射镜/微透镜同体结构中的微反射镜变换成缩小的虚像光源；
所述锥形光束的第二部分，直接照射覆盖层上没有安装所述微光学元件的平面区域，形成透射子光束III和反射子光束IV；
上述透射子光束I和III 离开光疗装置，到达皮肤；上述反射子光束II和IV进入底层与覆盖层之间的空气夹层，沿多路径反射、传播，直至透射离开覆盖层，被皮肤或被沿途介质吸收；
在空气夹层中，上述反射子光束II和IV沿多路径反射、传播；所形成的折叠路径，起到扩展单只发光二极管照射范围的作用；
多个所述发光二极管点光源被变换成多个虚像光源，与所述虚像光源对应的一部分实光线穿透所述覆盖层到达治疗对象；
与所述虚像光源对应的另一部分实光线进入空气夹层，并沿多路径反射、传播，其中一部分光线穿透所述覆盖层到达治疗对象；多个所述发光二极管点光源被变换成多个虚像光源，所发出的多光束非相干叠加、产生强度分布近似均匀的光斑；
抛物面的微反射镜/透射棱镜同体结构的运行方式：
覆盖层的内侧，等间隔地设置抛物面的微反射镜/透射棱镜同体结构（即，微光学元件的本体）；该抛物面的微反射镜/透射棱镜同体结构的表面是旋转抛物面，构成微反射镜。所述的抛物面微反射镜结构与覆盖层外侧平面构成“透射式”微棱镜。
抛物面的微反射镜/透射棱镜同体结构的反射/透射光路：
抛物面的反射镜/透射微棱同体结构的光轴线与单只发光二极管对齐。单只发光二极管具有点光源的属性，所发射的锥形光束被变换成下述四类子光束：
所述锥形光束的第一部分，照射抛物面的微反射镜/透射棱镜同体结构，形成透射子光束I和反射子光束II；根据棱镜透射定律，透射属于非成像过程，“透射式”微棱镜的出射子光束I，在覆盖层外侧产生圆形透射光斑，到达皮肤。
根据棱镜反射定律，抛物面的微反射镜/透射棱镜同体结构中的微抛物面反射镜产生准平行反射光束，并在底层形成环形光斑。位于底层的环形光斑，“发出”光线（即，子光束II形成二次光源），照射覆盖层，会产生 “次级透射子光束和反射子光束”。
所述点光源锥形光束的第二部分，直接照射覆盖层的平面区域，即没有微光学元件的区域，形成透射子光束III和反射子光束IV；
上述的反射光束、以及次级反射光束，进入空气夹层，沿多路径反射、传播。其中一部分光线穿透覆盖层到达治疗对象；部分光能量被沿途介质吸收。
多个所述发光二极管点光源，产生多个透射子光束，多光束在皮肤附近非相干叠加、产生强度分布近似均匀的光斑。总的效果是，LED点光源的有效照射面积被扩大，近似等于上述“环形光斑（二次光源）”的面积。
夹层型装置的结构：作为优选，所述夹层型装置的覆盖层和底层采用弹性、可弯曲材料制成，所述夹层型光疗装置的边框形状与局部肌肤表面形状相似。
COB封装型器件的结构：作为优选，所述COB（Chip On Board）器件中，围坝的横截面轮廓为正多边形、或长方形、或梯形、或圆形中的一种；该围坝的内表面设置有高反射率层；
所述围坝分别固定连接底层和覆盖层，形成具有空气间隙的封闭腔，该封闭腔是紫外光的低损耗传输空间。
作为优选，M个所述COB封装型器件被固定在柔性载体上，组装形成大面积平垫、长带、空心柱形或环形光疗器件，其中M≥4。
紫外告警系统：作为优选，所述非可见光探测用于检测所述发光系统内部紫外光的平均强度、并转换为电压信号V；所述电压-频率转换器将该电压信号V转换成声频信号F，所述声频信号F被运放电路放大后，通过手机微振动马达、或者微扬声器输出告警信号。
“光发射器”和“光探测器”两种功能之间可逆切换: 作为优选，所述非可见光探测模块包括:功能可逆切换的所述发光二极管、光发射器功能切换开关和光探测器功能切换开关；通过控制所述光发射器功能切换开关和光探测器功能切换开关的通-断状态，所述发光二极管的工作电压在“正向偏置”和“反向偏置”之间切换，导致所述发光二极管能够在光发射器与光探测器两种功能之间可逆地切换。
通过紫外告警系统，把具有潜在危害性的、肉眼不可见的辐射光强的测量值，转换成声频信号；经标定后，声信号频率f随光强（电压V测量值）而线性变化；
电压-频率变换器：例如，V-F变换器输出的频率 f = V /（10*R*C）（* 电阻R，电容C）。
优选的，在发光系统中至少有4只发光二极管连接有电子切换开关；所述发光二极管被赋予“一物两用”的性能；
即在预设的时间段，采用电子切换开关（改变偏置电压的极性），使该4只发光二极管从“光发射器”状态切换到“光探测器”状态，用于检测紫外光强度；
作为优选，在发光系统中的“光发射器”之一，被切换到告警分系统；在告警时段，该光发射器被切换到紫外告警分系统，起“光电探测器”的作用；
在告警检测暂停的时段，通过电子切换开关将发光二极管从“光探测器”状态切换到“光发射器”状态，从而，该对应的发光二极管被常规用于发射治疗光束。
安全监测系统：用于预防LED近距离照射人眼、或者阻止违规开机事件。
作为优选，所述心音检测器和/或所述脉搏检测器用于判别 “被照射是否为正常人体”；
所述语音识别芯片用于辨别人的声纹特征，确认该人员是否接受过安全操作规程培训；
所述柔性触觉传感器和微动开关用于判断所述发光系统是否已接触肌体；
当所述生理检测器判断被照射对象是正常人体，同时所述柔性触觉传感器和微动开关判断所述发光系统已接触肌体，同时所述语音识别芯片确认开机人身份正确，所述信号处理电路控制驱动电源接通所述发光二极管；
根据上述来自人体和电源的判据，采用多条件模糊逻辑控制器判别、并阻止违规操作事件（包括， LED紫外光近距离照射人眼，以及超剂量照射皮肤等事件）；必要时发出安全警告（电子信号或电声信号）。
作为优选，所述安全监测分系统中还可设置电池充电安全保护电路，监测“LED驱动电流和电池温度”等安全运行参数。
作为优选，所述安全监测分系统还可以包括信号采集与处理电路、微处理器（及软件）和传感器;以手工操控或声控（以及语义识别软件）方式，运行各分系统；用语音芯片提示操作方法（包括发出安全警告）；以无线通信方式、接收外部控制装置下达的远程操控指令，或上传本装置的数据（发光状态参数、监测信号等）；以固态存储器记录开机时间及光电运行参数，为追溯历次曝光剂量提供依据。
医学使用方法1：基于一个总的发明构思，本发明还提供了一种光疗系统的使用方法，在所述发光系统贴近皮肤后，所述发光二极管产生窄带UVB辐射、和/或红光，和/或近红外光，照射皮肤产生维生素D前体；所述发光二极管其发光的波长为297nm ±20 nm，和/或630nm ±20 nm，和/或808nm ±20 nm；窄带UVB照射皮肤的光剂量为1-100mJ/cm2；LED发光装置照射皮肤的面积为1% 至80%人体表面积。
作为优选，接受光疗的人员 (即，用户) 可以通过用户界面和/或信号传输通道，与光疗系统的其它合适设备相连接(例如，连接网站和/或智能手机应用程序)；管理光疗的个体 (例如，医生、护士等) 可以通过用户界面、或/和信号传输通道连接到光疗设备的远程计算机和/或其他合适的输入设备；允许由专业人员远程控制光疗过程，并避免未经训练的用户不当使用光疗装置，提高使用安全性。
医学使用方法2： 基于一个总的发明构思，本发明还提供了另外一种光疗系统的使用方法，先根据使用者的皮肤类型确定提供给使用者的光剂量，所述光剂量定义为光疗装置的辐射源强度与辐射源暴露时间的乘积，所述光剂量的上限小于 ；将所述光剂量投送到使用者的治疗区，通过光疗产生免疫反应、治疗自身免疫性疾病；所述光疗装置的光疗辐射源包括280-320 nm带宽范围内的一个或多个目标波长。
作为优选，所述发光二极管发射同一中心波长，或者发射中心波长处于UV-B波段的不同位置；或者同时（或交替地）发射多波长的光束，其中心波长分别属于UV-A波段和UV-B 波段，以及红色至近红外I区NIR-I波段； 其中，紫外线UV-B，波长280-320nm；紫外线UV-A，波长320-400nm；红光，600-750nm；近红外NIR-I, 波长750-900 nm）。
本光疗装置使用的材料如下：
紫外透射材料指石英、聚二甲基硅氧烷（又称PDMS和含氟聚合物 [例如，聚四氟乙烯(PTFE) ]。含氟聚合物包括氟化乙烯-丙烯(EFEP)、氟化乙烯-丙烯(FEP)、全氟烷氧基(PFA)、四氟乙烯-六氟丙烯偏氟乙烯(THV)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、乙烯-四氟乙烯(ETFE)等。
用上述透射材料、含氟聚合物制成紫外透射、反射分束比例可调的器件;
所述的紫外反射材料指金属铝和聚四氟乙烯（反射型）；
可穿戴光疗装置边框朝向皮肤的一侧，使用有柔性、疏水性和透气性的材料，提高舒适性。
产生的有益效果：
在改进技术性能方面，产生以下有益效果：
① 减薄装置的厚度：所述微反射镜/微透镜同体结构4a，支持“虚像光源和折叠光路”的原理。在减薄装置厚度的条件下，虚像光源的“虚拟照射距离”大于LED点光源到皮肤的直射距离，导致本装置皮肤上的照射面积增大、且光斑均匀性良好；
② 增添内置光功率计，但不显著增大装置成本：本发明采用光发射器/光探测器双功能可切换器件，使单只发光二极管“一物两用”，制成内置光功率计。既为用户提供紫外告警服务，又能节约额外购买外置光功率计的费用；
在保障安全性和改善用户舒适性等方面，产生以下有益的效果：
① 消除“LED近距离伤害人眼”的隐患：
在可见光光疗过程中，LED阵列发出刺眼的红光。迫使使用者下意识地闭眼。但是，紫外辐射无迹可寻，不刺激人员闭眼、不会引起当事人产生回避念头！
本发明采取两项措施，预防紫外伤害事故：一是“传感器识别违规操作事件、电路自动阻止违规操作”；二是“把不可见光转换成声音（频率），使用者凭借振动信号、 感知“存在紫外辐射潜在危害性”的警示。
② 外形薄、体感舒适：
装置厚度小、体感舒适，适合在穿冬衣时贴身佩戴。以市售光疗装置为参照（其厚度T传统 ≥20mm），本发明的“折叠光路”使得装置的厚度减至1/3（例如，T新型装置≤ 7 mm）。在缩小装置厚度的条件下，新型装置光斑均匀度与“厚型装置”等效（符合医疗器械标准）。
附图说明
以下附图，解释本发明的技术方案的要点。
图1为实施例2夹层型装置结构图，其中图1（a）为夹层型装置整体结构示意图；图1（b）为夹层型装置的A-A剖视图；
图2为实施例3封装型器件的结构图，其中图2（a）为COB封装型器件4单元器件组合的示意图；图2（b）为COB封装器件立体结构示意图，图2（c）为COB封装型器件局部剖视图；
图3为实施例4中，微反射镜/微透镜同体结构剖面图，LED光束直接照射覆盖层，透射子光束III和反射子光束IV的传播路径的示意图；
图4为实施例4中，微反射镜/微透镜同体结构剖面图，LED光束照射微透镜，透射子光束I的传播路径的示意图；
图5为实施例4中，LED光束照射微透镜，形成放大虚像光源的光路图，其中图5（a）为LED点光源形成放大虚像的光路图，图5（b）为LED光源到目标的虚拟照射距离d’；
图6为实施例4中，微反射镜/微透镜同体结构剖面图，LED光束照射微反射镜，反射子光束II的传播路径示意图；
图7为实施例4中，LED光束照射微反射镜，形成缩小虚像光源的光路图，其中图7（a）为LED点光源形成缩小虚像的光路图，图7（b）为LED光源到皮肤的虚拟照射距离--- 折叠路径ABCD示意图；
图8为实施例5中，抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构的剖面图，其中，图8（a）为旋转抛物面在直角坐标系XOY面的截面图，图中，位于焦点的点光源发出平行光束，图8（b）为抛物线沿OY轴旋转形成的棱镜的横截面示意图，所述微棱镜具有抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构；
图9为实施例5中，抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构的光路剖面示意图：其中，图9（a）为LED光束直接照射覆盖层，透射子光束III和反射子光束IV的传播路径；图9（b）为LED光束照射微棱镜，透射子光束I的传播路径的示意图；图9（c）为LED光束照射微反射镜，反射子光束II的传播路径示意图；
图10为实施例6中，发光系统在人体上的位置以及光疗装置上安全子系统的结构示意图；
图11为实施例7 中“同一只发光二极管的工作电压，切换成正向偏置和反向偏置状态”的示意图；
图12为实施例7 “光发射器功能切换开关”的电路；
图13 为实施例7“光探测器功能切换开关”与运算放大的电路：紫外光源的强度平均值，被转换成运算放大器输出电压值；
图14为实施例8非可见光检测模块中，不可见光强度（电压V）被转换成可感知的振动信号（频率F）的流程图；
图15为实施例8光发射器-LED阵列的双功能切换电路图，其中，3*4只发光二级处于“光发射器状态”，4只发光二极管被切换到“光探测器状态”，与运算放大器OP27连接；
图16为实施例8三种电路（芯片）及三种电路之间信号传输流程的示意图，其中，图16（a）为电压-频率转换器AD654电路，图16（b）为微振动马达驱动电路，图16（c）为电声信号放大电路。
附图编号说明
1，底层；2，覆盖层；3，发光二极管；4，微光学元件；4a，微反射镜/微透镜同体结构；4b，抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构；5，围坝；6，柔性触觉传感器；7，生理检测器；8，语音识别芯片；9，微动开关；10，VF变换器；11，正向偏置二极管；12，反向偏置二极管；13，光发射器功能切换开关；14，光探测器功能切换开关；15，信号处理电路；20，皮肤；21，发光系统。
以上附图简单地介绍本发明的要点。显而易见地，附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
本发明提供的紫外光疗系统，包括发光系统、安全监测系统、紫外告警系统和控制系统，所述发光系统支持“补充维生素D前体”、“辅助治疗自身免疫性疾病”两种使用方法。
实施例1，发光分系统的结构：
图1、图2和图10为实施例1光疗装置示意图；
发光系统21包括底层1和覆盖层2，底层1与覆盖层2固定连接、形成扁平状中间空气夹层；底层1采用反射材料制成，覆盖层2和微光学元件4采用紫外透射/反射分束比小于1的材料制成；覆盖层2内侧等间距地设置有微光学元件4；底层1内侧安装有发光二极管3，发光二极管3被设置在所对应的微光学元件4的轴线上；微光学元件4为微反射镜/微透镜同体结构4a，或者是抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构4b；详细结构见图1和图2。
如图5和图7光路所示，发光二极管3经微光学元件4成像，微光学元件4的微透镜部分将发光二极管点3光源变换成放大的虚像光源；微光学元件4的微反射镜部分把发光二极管3点光源变换成缩小的虚像光源，与虚像光源对应的一部分实光线穿透覆盖层2到达治疗对象；
虚像光源对应的另一部分实光线进入中间空气夹层，并在中间空气夹层内多路径反射、传播，其中一部分光线穿透所述覆盖层到达治疗对象的皮肤20；多个发光二极管3点光源被变换成多个虚像光源，所发出的多光束非相干叠加、产生强度分布近似均匀的光斑；
发光系统21包括夹层型和COB型两种封装形式两种封装形式。
实施例2，夹层型装置
如图1所示，该光疗装置由层状部件组成：覆盖层1和底层2采用弹性、可弯曲材料制成，夹层型的边框形状与局部肌肤表面形状相似，有弹性、可弯曲，例如该装置可被弯曲成半柱面, 用于对肢体实施光疗（紫外线照射）。
底层1与覆盖层2固定连接，形成扁平的层状结构，层状结构的中间具有缝隙，为空气夹层；
具体地，底层1是表面光滑的薄板，采用紫外高反射率材料，包括但不限于抛光铝；底层1上的发光二极管3呈阵列分布，发光二极管3的数量N≥16 ；覆盖层2的外侧面是光滑平面，采用紫外透射/反射分束比小于1、取值可调节的材料，包括但不限于聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷（缩写PDMS）等材料，本实施例优选为聚四氟乙烯。
实施例3，COB（Chip On Board）封装型器件
如图2所示，本实施例的光疗装置包括底层1、覆盖层2和围坝5；
底层1和覆盖层2分别固定连接在围坝5的开口两侧，形成封装器件的腔体；
覆盖层2采用的材料，具体是指石英、聚二甲基硅氧烷（缩写PDMS）和含氟聚合物[ 例如，氟化乙烯-丙烯(EFEP)、聚四氟乙烯（反射型）等 ]。围坝5的横截面轮廓是正多边形（边数K =3~ 6）、长方形或梯形，本实施例中优选为长方形，其内表面有高反射率层。
底层1用紫外高反射率（高导热率）材料制成；在其他实施例中也可以用高导热率材料制造底层板1，然后在底层板1内表面添加高反射率层。具体地，底层1上设置有焊盘，发光二极管3固定焊接在焊盘上，腔体内至少有3 Χ3只发光二极管3。
发光二极管3发出的光束，会在COB封装型器件中的腔体内多路径传播，部分光线直接照射覆盖层2，透射到皮肤20附近（如图3所示）。另一部分光线照射微光学元件4，传播路径如图4和图6所示。
用M个小面积的COB封装型器件，柔性拼接成大面积可穿戴光疗装置，器件数M ≥4，如图2所示。
实施例4 ，微反射镜/微透镜同体结构4a，使LED点光源被转换成虚像光源
微光学元件4为微球冠，微球冠为微反射镜/微透镜同体结构4a，微反射镜/微透镜同体结构4a与覆盖层2外侧平面构成微透镜，微反射镜/微透镜同体结构4a微球冠内表面具有微反射镜功能，其中覆盖层2与微反射镜/微透镜同体结构4a微球冠的透射率 ≤20 %、反射率≥60 %。
根据光学成像公式，定量计算物距与像距/>之间的联系：
高斯公式：；
垂轴放大率：；
式中，是以主点为原点的焦距。
① 用微透镜产生放大虚像（垂轴放大率，物距/>）：详见图5。
如图4~5所示，由覆盖层2本体上的微反射镜/微透镜同体结构4a（微球冠）与其外平面组成微透镜；发光二极管3发射光束到达微透镜的凸面（材料的部分透射率 ≤20 %）时，一小部分光线透射进入微透镜、形成放大虚像I2，该虚像I2 “发出的实光线”指向皮肤；与此同时，临近的发光二极管3与微透镜、也并行地产生与本例虚像I 2类似的光线束。
② 用反射镜产生缩小虚像（垂轴放大率β< 1）：详见图7。
如图6~7所示，覆盖层2本体上的微球冠是反射镜面，其凸面正对发光二极管3；发光二极管2发射光束被凸面分束（材料的部分反射率≥ 60 %），一部分光线被反射，所述的LED 反射光线在反射面内侧形成缩小虚像I1，该虚像I1 “发出的实光线”指向底层1的反射面；随后，该光线在底层1与覆盖层2的中间空气间隙中传播；其中，部分光线透过覆盖层2、出射方向指向皮肤20；与此同时，临近的发光二极管3和微反射镜、也并行地产生与本例虚像I1类似的光线束；
综上所述，本发明的LED阵列所输出的均匀光斑，是各个虚像I1和 I2所发出的“实光线”的非相干叠加的结果。在空气间隙中传播的一部分实光线，也是非相干叠加光束的组成部分之一。
本发明提供的发光系统21，在减薄装置厚度的条件下，虚像光源的“虚拟照射距离”大于LED点光源到皮肤的直射距离，导致本装置皮肤上的照射面积增大、且光斑均匀性良好。
图5（b）标注出LED放大虚像光源到皮肤的虚拟照射距离；虚拟照射距离d’ 大于LED到目标的距离d。
图7（b）标注出LED缩小光源到皮肤的虚拟照射距离；光线沿ABCD折线传播，折叠光路的长度，大于“直线距离”AD的长度。
本发明与传统光疗方案的差别是：
差别一，选用的材料具有“透射/反射分束比可调节”的性质（材料反射率大于透射率），使得LED发射的光束被分成两个子光束：“沿直线传播的”透射子光束和“沿折叠路径传播的”反射子光束。而传统装置中，侧重利用透射子光束，竭力避免出现“强度较大的反射子光束”。
差别二，微透镜与微反射镜同体，选择适当的光路参数，使同一LED点光源形成放大（及缩小）虚像光源。
传统光路的光斑均匀性随厚度而变化（如果厚度减小，均匀性随之变差）。勉强地使LED阵列紧贴皮肤发光，只能产生多个离散光斑组成的非均匀光场（其强度分布均匀度明显低于法定医疗器械标准）。
以传统装置的厚度为参照，本发明光疗装置的厚度减至1/3。即，LED到皮肤的几何距离从20mm缩短到7mm 以内，而单个LED产生的皮肤上光斑直径 ≥17.3 mm。与此同时，本发明光疗装置的强度分布均匀度优于传统装置。
实施例5 ，抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构4b，扩展LED点光源在皮肤上的有效照射面积
微光学元件的结构特征：在具有抛物面微反射镜/透射微棱同体结构4b中，覆盖层2的内侧，等间隔地设置微小凸起部（即，微光学元件4的本体）；
该凸起部的表面是旋转抛物面，构成反射镜。该凸起部与覆盖层外侧平面构成“透射式”微棱镜。图8是抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构4b的剖面示意图。
紫外材料的透射/反射分束比小于1、比值可调节，为实现“微反射镜/微棱镜‘同体’结构”提供了材料基础。通过调节材料厚度和表面形状、及光滑程度，改变分束比，产生提高输出光斑的光强分布均匀度的效果；
本实施例中，覆盖层2与微光学元件4的材料透射率 ≤20 %、反射率≥60 %。该材料是透射/反射分束比可调节的含氟聚合物，优选材料为厚度可变的聚四氟乙烯。
反射/透射光路：在抛物面微反射镜/透射微棱同体结构4b中，其光轴线与单只发光二极管对齐。在图9光路中，单只发光二极管3具有点光源的属性，所发射的锥形光束被变换成下述四类子光束，如图9所示：
图9（a）为LED光束直接照射覆盖层，透射子光束III和反射子光束IV的传播路径；
图9（b）为LED光束照射微棱镜，透射子光束I的传播路径的示意图；
图9（c）为LED光束照射微反射镜，反射子光束II的传播路径示意图。
所述点光源锥形光束的第一部分，照射抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构4b，形成透射子光束I和反射子光束II；根据棱镜透射定律，透射属于非成像过程，“透射式”微棱镜的出射子光束I，在覆盖层2外侧产生圆形透射光斑，到达皮肤。
根据棱镜反射定律，抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构4b的微抛物面反射镜产生准平行反射光束，并在底层1形成环形光斑（即，子光束II形成二次光源）。位于底层1的环形光斑，“发出”光线，照射覆盖层2，会产生 “次级透射子光束和反射子光束”。
所述点光源锥形光束的第二部分，直接照射覆盖层2的平面区域，即没有微光学元件4的区域，形成透射子光束III和反射子光束IV；
上述的反射光束、以及次级反射光束，进入空气夹层，沿多路径反射、传播。其中一部分光线穿透覆盖层2到达治疗对象的皮肤20；部分光能量被沿途介质吸收。
多个所述发光二极管3点光源，产生多个透射子光束，多光束在皮肤附近非相干叠加、产生强度分布近似均匀的光斑。总的效果是，LED点光源的有效照射面积被扩大，近似等于上述“环形光斑（二次光源）”的面积。
实施例6，安全监测分系统：阻止违规操作紫外光疗装置，预防光辐射近距离伤眼事故
安全监测分系统包括：接触检测模块、语音识别芯片8和信号处理电路15。图10描述可穿戴光疗装置在人体上的位置，以及光疗装置上安全子系统的结构示意图。
可穿戴光疗装置面临的特殊问题体现在，一方面，医师要求LED装置紧贴皮肤发光，确保紫外光补充维生素D的疗效。
另一方面，紫外装置质量检验标准一致指出：近距离观看紫外LED阵列发光，可能引起光致角膜炎、光致结膜炎（或白内障）。
避免“紫外辐射近距离伤害人眼”的具体措施是，仅当光疗装置紧贴皮肤时，LED灯珠才发光。在裸眼可能直接看到LED装置的场景，硬件阻止接通LED供电电源。
本发明采用接触检测模块，判断可穿戴光疗装置21与人体是否紧密接触，该模块包括：柔性触觉传感器6、生理检测器7和微动开关9，均安装在发光系统21的边框上，其中生理检测器7为心音检测器和脉搏检测器中的一种或两种。
采用单一安全检测手段时，容易出现失误（例如，儿童玩耍触摸时，也能使LED发射紫外光！），因此，本实施例在装置的边框上，设置4个柔性触觉传感器6和1个生理检测器7；
柔性触觉传感器6的作用是，检测光疗装置是否触及非硬质物体；
心音检测器和脉搏检测器的作用是，判别“被照射对象是生命体、而不是人体模型”。
语音识别芯片8的作用是，辨别使用者的声纹特征；以确认操作人员是否已接受安全操作规程培训。
当语音识别芯片8识别使用者身份正确，且柔性触觉传感器6判断“光疗装置已经与人体紧密贴合”；且心音检测器和/或脉搏检测器检测“确认本光疗装置附近有心音（是人体，而不是人体模型）”；在此前提下，控制微动开关9导通，发光系统21通电进行光疗。
采用上述多判据识别非正常开机行为，可减小违规操作的概率，避免出现光生物安全事故（例如，紫外光超剂量照射皮肤、LED近距离伤害人眼等事故）。
与此同时，安全监测分系统中还设置电池充电安全保护电路，监测“LED驱动电流和电池温度”等安全运行参数，此保护电路采用现有常用电池保护电路即可，在此不再赘述。
所用MEMS传感器的具体内容如下：
MEMS声波心音检测器和脉搏检测器7：微机电系统芯片 (Micro ElectroMechanical Systems) 是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路工艺制成的传感器。
MEMS传感器不仅能感知心脏（或动脉）声波，而且能对信号进行初步处理和识别、判断“本光疗装置已触及人体（而不是体模）”。
实施例7， 光发射器/光探测器双功能可切换器件
生产厂家采用计量级光功率计，检验市售产品的输出功率值。但是，计量级光功率计的成本高，不适合配发给普通用户。
本发明提出的发明构思是：在发光分系统的LED阵列中，一只发光二极管被切换到“光探测器状态”，用于检测周围发光二极管的发光强度平均值。
其优点是，在光疗阶段，所述光探测器可逆地回复到“光发射器状态”，不会减小LED阵列的额定发光功率，也不会削弱输出光斑的强度分布均匀性。
发光二极管“一物两用”：单只发光二极管既可以作为光疗的光源，又可切换成为“V-F转换电路的光探测器”：
如图11~13所示，非可见光检测模块包括：发光二极管3、光发射器功能切换开关13和光探测器功能切换开关14；
通过控制光发射器功能切换开关13和光探测器功能开关14的通-断状态，发光二极管3的工作电压在“正向偏置”和“反向偏置”之间切换，以使发光二极管3在光发射器与光探测器之间进行切换。
图11中，正向偏置二极管11是光疗系统21中的发光二极管3，能够正常提供光疗所需紫外光束；将该发光二极管3的工作电压切换为反向偏置电压后，即成为反向偏置二极管12，作为V-F转换电路的“光探测器”元件。
如图12和图13的电路图所示，光发射器功能切换开关13（SLED）的作用是“使指定的LED处于发光状态”，光探测器功能切换开关14（SDet）的作用是“使同一只LED，处于光探测器状态”。
实施例8，紫外告警系统：把不可见光的强度平均值，转换成声频信号的频率
紫外光疗的特殊性在于，紫外线是一种不可见辐射。如果不慎照射剂量超过安全限，紫外辐射可能对眼或皮肤产生伤害作用。对传统紫外装置而言，用户拨动电源开关后，不仅肉眼看不见“出光”现象，而且肌肤也感觉不到“照射效果的强弱”。
针对传统装置的上述不足之处，本发明增添光强监测功能，把无影无形的紫外辐射变换成显性的、振动（或电声）信号（如图14所示）。
紫外告警系统由非可见光检测模块、VF变换器和音频信号放大电路组成，其中，所述非可见光检测模是一种光发射器/光探测器双功能可切换器件（如实施例7所述）。
图14为不可见光强度（电压V）被转换成可感知的振动信号（频率F）的流程图。所述紫外告警系统与所述发光系统共用一种光发射器/光探测器双功能可切换器件；
光探测器件：以4Χ4 LED阵列为例，在图15发光分系统中，16只LED全部处于“光发射器”状态。而在紫外告警系统中，4只LED被切换到“光探测器”状态 ------ 用于探测其余3Χ4 只LED的发光强度平均值。
用所述的每一只光探测器（及配套的运算放大器），检测所在局部位置的LED的发光强度的平均值；
电压-频率变换器件：图16（a）中，用V-F变换器（10）把光强所对应的电压值，转换成微型振动器（或扬声器）信号的频率值，经计量级功率计标定后、该声信号的频率近似与LED紫外光的强度成正比；
振动（电声）器件：图16（b）中，用微型振动马达（即手机微型振动器）发出告警信号。用户凭触觉感知振动频率（或/和凭借听觉感知频率），知晓安全警示信息（即 “LED正在发射具有潜在危险性的紫外光”）。
告警系统的运行方式：
具体地，非可见光强度告警电路包括三个能量转换（信号变换）环节：
（1）“光-电” 转换环节：LED“不可见光”强度 I，运放OP27被转换为输出电压 V；详见图15；
（2）“电压-频率” 转换环节：OP27运放的输出电压 V，被转换为AD654芯片的输出信号的频率 F；详见图15，图16（a）；
（3）“电声信号- 神经感知信息” 转换环节：手机微振动马达输出的频率F信号，被肌肤的触觉感知；详见图10、图16（b）；
（4）或者，微型MEMS扬声器输出的频率F信号，被听觉感知。详见图16（c）。
对电路图的说明：
“光-电” 转换电路：LED“不可见光”强度 I → 运放输出电压 V ：
如图15所示，紫外光源发光强度的平均值，被转换成运算放大器输出电压，
在光电转换环节，至少设置4个光探测器，使紫外光子能量转换为电子能量。其中光探测器是反向偏置的二极管（在其他实施例中，也可以是设置在装置边框的肖特基型光电二极管）；
光探测器产生的光电流与入射的紫外光功率成正比，从而，运算放大器的输出电压Vout与LED光强I近似成正比。
LED光强测量值（电压测量值V）转换成振动器的频率值f：
LED发光强度的检测值，近似与运算放大器输出电压成正比；经VF变换器10转换成声音的频率；
VF变换器10产生的声音频率近似与“发光分系统”LED紫外光的强度成正比；用户凭触觉感知振动信号（或/和听觉感知声波），进而知晓安全提示的内容。
电压-频率转换、以及音频（振动）信号的产生过程，如图14~16所示。
在电压-频率转换环节，电压V-频率F变换公式(I) 如下：
；
式中，Vin 为输入电压值，fout 为输出信号的频率， R1，R2为电路中的可调电阻值，CT为电容值。
通过适当调节定时电阻R、适当选用定时电容C，假设满量程输入电压V范围从100毫伏到10伏，输出的频率f 符合简单关系式（II）：
f = V /（10*R*C） （II）
在“电声信号- 神经感知信息” 转换环节，肌肤可感知振动马达（即手机微型振动器）的低频信号频率，人耳可感知MEMS扬声器发出的电声信号频率。
告警装置的成本与效益：
需要解释的是，使用计量级测光仪器，才能精确标定紫外LED的发光强度的平均值（并处理发光器件故障）。但是，计量级仪器价格不菲，势必加重用户的经济负担。
本发明提供简化的光强监测功能，经计量仪器标定后、该微型马达振动器（或扬声器）音频信号，可近似表示LED紫外光的强度；借助肌肤（或人耳）直接感知振动信号，用户间接知晓紫外光的强弱程度。这种定性监测功能引导用户放心地接受光疗（或早期发现LED发光故障）。
实施例9，可穿戴光疗装置的使用方法
如图10所示，将发光系统21贴近皮肤后，发光二极管3产生窄带UVB辐射、和/或红光、和/或近红外光，照射皮肤产生维生素D前体； 通过光疗产生免疫反应、治疗自身免疫性疾病；
具体的，发光二极管3发射同一中心波长，或者发射中心波长处于UV-B波段的不同位置；或者同时（或交替地）发射多波长的光束，其中心波长分别属于UV-A波段和UV-B 波段，以及红色至近红外I区NIR-I波段；其中，紫外线UV-B，波长280-320nm；紫外线UV-A，波长320-400nm；红光，600-750nm；近红外NIR-I, 波长750-900 nm）。
以手工操控或声控（以及语义识别软件）方式，运行各分系统；用语音芯片提示操作方法（包括发出安全警告）；以无线通信方式、接收外部控制装置下达的远程操控指令，或上传本装置的数据（发光状态参数、监测信号等）。
接受光疗的人员 (即，用户) 可以通过用户界面和/或信号传输通道，与光疗系统的其它合适设备相连接(例如，连接网站和/或智能手机应用程序)；管理光疗的个体 (例如，医生、护士等) 可以通过用户界面、或/和信号传输通道连接到光疗设备的远程计算机和/或其他合适的输入设备；允许由专业人员远程控制光疗过程，并避免未经训练的用户不当使用光疗装置，提高使用安全性。
以上所述实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
以上实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段；若未特别指明，实施例中所用试剂均为市售。

Claims (10)

1.一种紫外光疗系统，包括发光系统（21）、安全监测系统、紫外告警系统和控制系统，其特征在于，
所述发光系统（21）包括底层（1）和覆盖层（2），所述底层（1）与覆盖层（2）之间有空气间隙；
所述底层（1）用反射材料制成，该底层（1）的内侧安装有发光二极管（3）组成的阵列；所述阵列中，至少有1只所述发光二极管（3）能够在光发射器和光探测器两种功能之间可逆切换；
所述覆盖层（2）用紫外透射/反射分束比小于1、比值可调节的材料制成，其内侧等间距地设置有微光学元件（4）；所述微光学元件（4）为微反射镜/微透镜同体结构（4a）、或者抛物面微反射镜/透射棱镜同体结构（4b）；
所述发光系统（21）能够产生强度近似均匀分布的光斑以照射皮肤（20）；其封装形式为可弯曲的夹层型或者带围坝的COB型；
所述安全监测系统由柔性触觉传感器（6）、生理检测器（7）、语音识别芯片（8）、微动开关（9）和信号处理电路（15）组成，所述生理检测器（7）为心音检测器和/或脉搏检测器，所述安全监测系统用于阻止违规运行本紫外装置；
所述紫外告警系统由非可见光检测模块、VF变换器（10）和音频信号放大电路组成，以发出紫外辐射具有潜在危险性的警示信号；所述紫外告警系统与所述发光系统共用一种光发射器/光探测器双功能可切换器件；
所述控制系统由集成电路芯片组成，根据手动指令或软件存储的操控程序，控制各分系统的运行状态。
2.根据权利要求1所述的一种紫外光疗系统，其特征在于，所述覆盖层（2）和所述微光学元件（4）的材料反射率≥60 %、透射率≤20 %；单只所述发光二极管（3）位于单个所述微光学元件（4）的光轴上；
当所述微光学元件（4）为所述微反射镜/微透镜同体结构（4a）时，单只所述发光二极管（3）具有点光源的属性，所述发光二极管（3）所发射的锥形光束被变换成下述四类子光束：
所述锥形光束的第一部分，照射所述微反射镜/微透镜同体结构（4a），形成透射子光束I和反射子光束II；该透射子光束I被所述微反射镜/微透镜同体结构（4a）中的微透镜变换成放大的虚像光源；该反射子光束II被所述微反射镜/微透镜同体结构（4a）中的微反射镜变换成缩小的虚像光源；
所述锥形光束的第二部分，直接照射覆盖层（2）上没有安装所述微光学元件（4）的平面区域，形成透射子光束III和反射子光束IV；
以上所述的I、II、III和IV 四类子光束,产生扩展单只LED的有效照射面积的效果。
3.根据权利要求1所述的一种紫外光疗系统，其特征在于，所述夹层型装置的覆盖层（2）和底层（1）采用有弹性、可弯曲材料制成；所述夹层型装置的边框形状与局部肌肤表面形状相似。
4.根据权利要求1所述的一种紫外光疗系统，其特征在于，所述COB封装型器件中，所述围坝（5）的横截面轮廓为正多边形、长方形、梯形、圆形中的一种；所述围坝（5）的内表面设置有高反射率层；
所述围坝（5）固定连接底层（1）和覆盖层（2），形成具有空气间隙的封闭腔。
5.根据权利要求1所述的一种紫外光疗系统，其特征在于，M个所述COB封装型器件，被固定在柔性载体上，组装形成大面积平垫、长带、空心柱形或环形光疗装置，其中M≥4。
6.根据权利要求1所述的一种紫外光疗系统，所述安全监测系统的特征在于，
所述心音检测器和/或所述脉搏检测器用于判别被照射是否为生命体征正常的肌体；
所述语音识别芯片（8）用于辨别人的声纹特征，辨别该人员是否接受过安全操作规程培训；
所述柔性触觉传感器（6）和微动开关（9）用于判断所述发光系统（21）是否已接触肌体；
当所述生理检测器判断被照射对象是正常人体，同时所述柔性触觉传感器（6）和微动开关（9）判断所述发光系统（21）已接触肌体，同时所述语音识别芯片（8）确认开机人身份正确，所述信号处理电路（15）控制驱动电源接通所述发光二极管（3）。
7.根据权利要求1所述的一种紫外光疗系统，其特征在于，所述非可见光检测模块用于检测所述发光系统（21）内部紫外光的平均强度、并转换为电压信号V；所述VF变换器（10）将该电压信号V转换成声频信号F，所述声频信号F被运放电路放大后，通过手机微振动马达、或者微扬声器输出告警信号。
8.根据权利要求1所述的一种紫外光疗系统，其特征在于，所述光发射器/光探测器双功能可切换器件包括能够在光发射器和光探测器两种功能之间可逆切换的所述发光二极管（3）、光发射器功能切换开关（13）和光探测器功能切换开关（14）；
通过控制所述光发射器功能切换开关（13）和光探测器功能切换开关（14）的通-断状态，所述发光二极管（3）的工作电压在正向偏置和反向偏置之间切换，导致所述发光二极管（3）能够在光发射器与光探测器两种功能之间可逆地切换。
9.一种如权利要求1~8任一项所述紫外光疗系统的使用方法，其特征在于，在所述发光系统（21）贴近皮肤（20）后，所述发光二极管（3）产生窄带UVB辐射、和/或红光、和/或近红外光，照射皮肤产生维生素D前体；其发光的波长为297nm±20 nm，和/或630nm±20 nm，和/或808nm±20 nm；窄带UVB照射皮肤的光剂量为1-100mJ/cm2；照射皮肤的面积为1%至80%人体表面积。
10.一种如权利要求1~8任一项所述紫外光疗系统的使用方法，其特征在于，先根据使用者的皮肤类型确定提供给使用者的光剂量，所述光剂量定义为光疗装置的辐射源强度与辐射源暴露时间的乘积，所述光剂量的上限小于；将所述光剂量投送到使用者的治疗区，通过光疗产生免疫反应、治疗自身免疫性疾病；所述光疗装置的光疗辐射源包括280-320 nm带宽范围内的一个或多个目标波长。
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