CN1518139A - 光场均匀且边界轮廓分明的基于发光二极管的光源 - Google Patents

光场均匀且边界轮廓分明的基于发光二极管的光源 Download PDF

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K������ɭ
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Abstract

一种LED发光器件(100，150，170)，包括：用于产生光束的LED(102，152，172)；以及反射镜(104，154，174)，用于聚集该光束，以便产生明亮的照度、均匀的光场和清晰的边界对比度。该LED发光器件可用在X射线准直仪(204)中，以便使病人(206)和X射线机(200)彼此之间的相对定位变得容易，从而能够沿给定的轴(214)引导X射线束(212)，并使其投射到病人(206)身上的特定靶区(220)。该准直仪(204)包括：至少一个高能LED阵列(202)，用于产生光束，并沿给定的轴(214)引导光束，其中，该光束从LED阵列以束锥角向外扩展；以及具有反射面的聚光器(104，154，174)，其中，光束从LED阵列以由聚光器的反射面限定的束锥角向外发射。

Description

光场均匀且边界轮廓分明的基于发光二极管的光源
技术领域
本发明涉及一种基于发光二极管(LED)的光源和使用这种光源的系统。更具体地说，本发明涉及一种基于发光二极管的光源，以及使用这种光源的系统或设备，该光源提供具有轮廓分明、高对比度的边界的均匀光场。
背景技术
对于能提供边界轮廓分明的均匀光场的光源具有广泛的需求。例如，这样的光源可用于汽车或实验室设备的应用之中，或者用于任何其它的需要具有边界轮廓分明的均匀光场的应用之中。另一个例子是，这些光源可用在各种医疗系统中，如那些产生或使用不可见的电磁辐射或粒子束的系统中。
如今，使用不可见的电磁辐射或粒子束的医疗系统已广泛地用在诊断和治疗之中。通常，必须相对于辐射装置把病人放在明确规定的位置上，并接收明确界定的辐射，以便在治疗和诊断时，确保使照在病人身体其它部位上的不需要的辐射最小化。通过模拟辐射束几何图形的可见光源来使置于辐射源下的病人变得明显。
尤其是在使用X射线的医疗系统中，称为准直仪的器件通过X射线吸收材料的活动叶片将X线束限定成圆锥形。这样的准直仪包括可见光源，以便可见地指明X射线束相对于病人的位置，从而将X射线投射在病人的适当的诊断区或治疗区上。为了在与准直仪的所有距离上都能准确地表现曝光区，光线必须与X射线重合。由于光源和X射线源是不同的实体，其在物理上是不能重合的，因此，将光源放在X线束的旁边，并且使其与靶的距离与X射线源与靶的距离相同。
对X射线高度透射的光学镜面以X射线束轴为中心，并且与光源和X射线源的距离相同。该镜面倾斜一定的角度，以便反射光束使其与X线重合。要实现光束与X线束的彼此重叠必须准确地调准光源和镜面角度。此外，还有另外几个与光源相关的要求。这就是光源必须是廉价的、高亮度的、具有轮廓分明的光场边界(好的对比度)以及使用寿命长。
在医疗系统中，大多数的X射线准直仪和其它的光源都使用低压卤素投影灯(例如12伏、150瓦)作为定位光。由于这些灯具有小的灯丝尺寸，所以能提供足够的光输出和令人满意的边界对比度。然而，由于在光输出和灯丝寿命之间固有的折衷关系，卤素投影灯的额定寿命短，一般地说，只有几百个小时。这在准直仪应用中表现为缺点，其中灯具更换涉及灯具精确的光学调准，并且需要由熟练的维修工程师或技师来完成这个任务。在频繁更换灯具的情况下，这就会导致不定期的停工时间和计划之外的人工成本。
发明内容
在本发明的第一个方面中，提出了一种LED发光器件，包括：LED，用于产生光束；以及反射面，用于聚集光束以便得到明亮的照明、均匀的光场和清晰的边界对比度。
作为一个例子，在本发明的第二个方面中，LED发光器件可以用在X射线准直仪中，以使得病人和X射线机彼此之间的相对定位变得容易，从而能够沿着规定的轴来引导来自X射线机的X射线束，并将其投射到病人的一个特定靶区上。准直仪的光源包括至少一个高能LED阵列，一个聚光器和镜面。光束在光束锥面内从LED阵列上发出，该光束锥面的角度是由光学连接器的反射面来确定的。
最好，LED光源的额定寿命比准直仪使用寿命(例如50,000小时)更长，在距离光源100cm之处的强度大于200勒克司(1ux)，而且能将此LED光源装配在2mm乘2mm的区域之中。此外，在优选实施例中，从LED光源发出光束以大于45度的光束锥角向外扩展，并且聚光器将光束锥角聚焦在约为35度到40度的范围内。该实施例最好包括吸收X射线的光阑，它位于从光源到图像接收器之间的距离的1/5处，以便得到好的光场边界对比度。
本发明可有效地用于开发光输出和边界对比度与150瓦的卤光灯相似的照明器件，并且这种照明器件同时具有长得多的使用寿命并使用小得多的功率。使用埋置在例如医用准直仪之中的额定寿命长于系统使用寿命的定位灯具有相当大的吸引力。由于能够就地更换灯具，因而免除了系统的停工时间和相关的人工成本。此外，通过取消了对容易的灯具接近和调整的规定，也简化了系统(准直仪)的机械设计。
附图说明
图1示出了根据本发明的LED发光器件。
图2示出了由图1的发光器件照亮的区域。
图3示出了由图1的发光器件照亮的区域上的照明强度。
图4图解了由图1的LED发光器件照亮的区域的边界。
图5示出了可用在图1的发光器件中的LED阵列。
图6示出了包含图5阵列的LED器件。
图7图解了图5的LED阵列的输出光谱，作为强度与波长的函数。
图8示出了根据本发明的替换LED发光器件。
图9、10和11分别与图2、3和4相对应，示出了从图8的LED发光器件输出的照明。
图12示出了根据本发明的另一个LED光源。
图13、14和15分别与图2、3和4相对应，示出了从图12的LED发光器件输出的照明。
图16概略地示出了根据本发明的具有准直仪的X射线系统。
图17是采用本发明的X射线准直仪的示意图，用在图16的X射线系统中。
图18示出了替换LED发光组件。
附图标记说明
100  发光器件               178  照明区
102  LED                    180  照明强度曲线图
104  光阑                   182  照明区边缘
106  抛物线形聚光器         200  X射线机
110  照明区                 202  光源
112  照明强度图谱           204  准直仪
114  照明区的边缘           206  病人
120  LED阵列                210  X射线源
122  LED模块                212  X射线束
124  曲线图                 214  轴
150  发光器件               216  X射线束的焦点
152  LED                     220  治疗区
154  CPC                     234  铅片
156  透镜                    240  准直仪
158  照明区                  242  LED
160  照明强度图谱            260  LED发光组件
162  照明区的边缘            262  LED阵列
164  照度曲线图              264  透镜
170  发光器件                266  光束
172  LED                     270  虚LED源
174  椭圆锥面
具体实施方式
本发明的第一个方面提出了具有明亮照度、均匀光场和清晰边界对比度的光源。为了使与光源相距给定距离的光阑(diaphragm)具有清晰的边界对比度，光源的尺寸应当是很小的。
有各种光学设计来将LED光束限制在期望的圆锥角之中。图1示出了根据本发明的第一个发光器件100。器件100包括用于产生光束的LED 102；以及用于聚集光束以便有明亮照度、均匀光场和清晰边界对比度的光阑104。就器件100 而言，光阑104是复合抛物线聚光器(CPC)的形式，并且CPC 104直接位于模片(die)102的上方。聚光器(contractor)的左右两端都有圆形开口，左端开口的半径(R1)为1.5mm，右端开口的半径(R2)为4.5mm。聚光器的长度(L)为15mm，从聚光器发出的光的圆锥角(角)(FWHM)为17.7度。此外，平均照明效率为35.9％，每个象限(quadrant)中心处的照度为182.2勒克司，最小照度为136勒克司，最大照度为195勒克司。
图2示出了来自LED模片102并由集成PCP锥面104聚焦在靶上的照明图案。如图谱112所示，光场110是均匀的，使得最低照度和最高照度之比约为62％。该锥面有直径7mm的出射光孔。从LED模片到相距1米远0.5米×0.5米的靶子上的照明效率大于35％。图3和图4示出了器件100所实现的清晰的边界对比度。对器件100而言，其平均边界对比度(中心线下面3mm和中心线上面3mm)为1.5，沿边界114从10％变化到90％的范围为30mm，边界斜率116为4.79勒克司/mm。图5描绘出了适用于器件100的LED阵列120，它是由在单块衬底上的四个1mm2的LED构成的。图6示出了在具有集成透镜的组件122中的LED阵列120。这个5瓦特输入的组件的光通量为120流明(1m)，光束角度为120度FWHM。图7示出了LED阵列120的可见光谱输出124。
图8示出了另一个替换LED发光器件150，包括LED 152和反射器(CPC)154，图9-11示出了器件150的照明强度输出。LED模片152封装在集成透镜156之中，它在市场上是可以买到的。然而，由此封装照明的光场可能太低而不能用在当今的医疗和其它应用之中。因此，将CPC锥面154设计在LED集成透镜封装的顶部，以便聚焦光束。CPC锥面外部的出射孔口大约为15mm。图9示出了由器件150照明的区域156，图谱160示出了横贯此区域的照明强度是如何变化的。就此实施例而言，CPC 154在模片封装152的上方，R1＝3.2mm，R2＝7.5mm，角(Angle)＝15度，L＝10mm。此外，平均照明效率为37.2％，在每个象限中心的照度为187勒克司(lux)，最低照度为108勒克司，最高照度为203勒克司。就实施例150而言，平均边界对比度(中心线下面3mm和中心线上面3mm)为1.458，沿边界162从10％变化到90％的范围为38mm，边界梯度164为4.17勒克司/mm。
图12示出了根据本发明的第三种设计170，这种设计与第二种设计相似，只是TIR锥面174是椭圆形的。椭圆锥面外部的出射光孔也是15mm。与前面的两个设计104和154相比，锥面174有更好的边界对比度。图13-15示出了器件170的照明强度输出。设计170与图8的设计150相似，只是TIR锥面174是椭圆形的。图13示出了由器件170照明的区域172，图谱180示出横贯此区域的照度是如何变化的。器件170包括LED 172和TIR锥面174。在此实施例中，光阑174是一个位于模片封装172上方的椭圆锥面，R1＝3.2mm，R2＝7.5mm，L＝10mm。此外，平均照明效率为37.2％，在每个象限中心上的照度为169.14勒克司，最低照度为125.13勒克司，最高照度为194.68勒克司。就实施例170而言，其平均边界对比度(中心线下面3mm和中心线上面3mm)为1.923，沿边界182从10％变化到90％的范围为19mm，边界斜率184为7.713勒克司/mm。
作为如何将本发明用于医疗X射线系统中的一个例子，图16概括性地示出了X射线机200，其中，在准直仪204中有基于LED的光源202。将要检查或治疗的病人206放在机器200的旁边；然后，X射线源210沿着轴214从焦点216向病人的治疗区220上投射X射线束212。该辐射光束可以是电子辐射(例如，放射疗法)也可以是光子辐射。可用台架(未示出)来支撑X射线机200，这个台架可让X射线机绕水平轴旋转或转动，从而可让X射线照射到病人身上的不同的区域上。
沿着轴214投射来自光源202的可见光束230，从而可以不干扰地调节此轴和沿着此轴投射的光束的尺寸。当把系统200切换到操作模式时，就用放射线束212来代替可见光。铅片234界定或准直投射到治疗区24上的光束230和X射线束212。
图17示出了发光组件240，其是最好用在X射线系统200中的准直仪204的部件，以提供用于设置X射线机200的可见光。通常，准直仪204包括：至少一个高功率LED阵列242；以及一个光聚集器244，用于将光束聚焦到期望的圆锥角中。此外，在优选实施例中，LED阵列242的尺寸应当足够地小，以便能安装在面积小于2×2mm2的圆形的或方形的区域中。对于更一般的应用而言，光阑不需要是X射线吸收材料；对于许多非X射线应用而言，只要有光吸收性能就足够了。
使用额定寿命长于准直仪的使用寿命的定向灯具有显著的优点。由于能在现场更换灯具，减少了系统的停机时间和相关的人工成本。而且，由于通过消除提供容易的灯具接近和调整的需要，因而也简化了准直仪的机械设计。
图18示出了可以作为准直仪204的部件的替换LED发光组件260。通常，LED发光组件260包括至少一个具有窄的束角的高输出的LED发光组件262以及一个或多个透镜264。LED阵列提供光束266，最好，该光束在距离光源100cm处的亮度至少为200勒克司。最好，LED阵列262的尺寸应当足够地小，以便能安装在面积小于300mm2的圆形或方形的区域中。每个LED262都需要有窄的束角(小于15度的锥面)。使用光学透镜264或透镜组，将光束266扩展到期望的锥角(35-45度)，用于照亮病人206的靶区220。准直仪260的光学系统也有助于减少虚拟的LED光源270的尺寸，从而能在病人的靶区上产生好很多的边界对比度。
尽管在此公开的本发明显然是经过精心计划以达到上述目标的，但是，应当明白，本领域一般技术人员可以设计出许多修改方案和实施例，期望所附权利要求涵盖了所有这样的修改方案和实施例，而使其落入本发明的实质精神和范围中。

Claims (10)

1.一种LED发光器件(100，150，170)，包括：
用于产生光束的LED(102，152，172)；以及
反射镜(104，154，174)，用于聚集光束以便得到明亮的照度、均匀的光场和清晰的边界对比度。
2.根据权利要求1的LED发光器件(100，150)，其中，将LED(102，152)封装在复合抛物线聚光器(CPC)形锥面(106，154)中。
3.根据权利要求1的LED发光器件(100，150)，其中，外部复合抛物线聚光器(CPC)形锥面(102，152)将来自LED的光线聚集到期望的锥角中。
4.一种基于LED的光源，位于X射线准直仪(204)中，使得病人(206)和X射线机(200)彼此的相对定位变得容易，以便沿着规定的轴(214)引导来自X射线机的X射线束(212)，并使其投射到病人的特定靶区(220)上，该准直仪(204)包括：
至少一个高能LED阵列(242)，用于产生光束(230)，并沿着规定的轴(214)引导光束，其中，光束从LED阵列以束锥角向外扩展；
具有反射面的聚光器(104，154，174)，其中，光束从LED阵列以由聚光器的反射面限定的束锥角向外发送。
5.根据权利要求4的准直仪(204)，其中，光束从LED阵列(242)向外发射。
6.一种X射线机(200)和病人(206)彼此相对定位的方法，该方法包括如下步骤：
为X射线机(200)提供LED阵列(262)，以便产生光束(266)，并沿给定的轴引导光束，其中，光束从LED阵列(242)以束锥角向外扩展。
在光束路径中为透镜(264)定位，以便向外扩展束锥角；
在病人(206)和X射线机(200)彼此间进行相对定位，使得光束入射在病人身上规定的靶区(220)中；以及
使用X射线机(200)来产生X射线束(212)，并将X射线束引导到所述给定轴(216)上和病人(206)的规定靶区(220)上。
7.根据权利要求6的方法，其中：
光束(266)从LED阵列(262)以10-15度之间的束锥角向外扩展；并且
透镜(264)将该束锥角扩展到大约为35度。
8.根据权利要求7的方法，其中：
光束(266)从LED阵列(262)以基本上15度的束锥角向外扩展；并且
透镜(264)将该束锥角扩展到大约为35度。
9.一种X射线机，包括：
射束发生器(201)，用于产生X射线束(212)，并沿给定的轴(214)引导该X射线束；
准直仪(204)，用于使病人(206)和X射线机(200)彼此之间的相对定位变得容易，以便将来自X射线机的X射线束引导到病人身上的规定靶区(220)中，该准直仪(204)包括：
1)至少一个高能LED阵列(262)，用于产生光束，并沿给定的轴引导光束，其中，该光束从LED阵列(262)以束锥角向外扩展，
2)至少一个透镜(172)，放置在所述的光束路径上，以便扩展束锥角。
10.根据权利要求9的X射线机(200)，其中：
光束从LED阵列(262)以10-15度之间的束锥角向外扩展；并且
透镜(172)将束锥角扩展到基本上35度。
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