CN108662494A - 一种大功率led集成光源用光学镜头组 - Google Patents

一种大功率led集成光源用光学镜头组 Download PDF

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Abstract

一种大功率LED集成光源用光学镜头组，包括在与LED集成光源相同轴线上分布的2个或3个平凸光学透镜；当2个平凸透镜构成时，第一和第二平凸透镜的平面部分朝向LED集成光源方向；当由3个平凸光学透镜构成时，第一和第二平凸透镜的平面部分朝向LED集成光源方向，第三平凸透镜的凸面朝向LED集成光源；距LED集成光源最近的为第一平凸透镜。利用该透镜组与LED集成光源组合可以获得大功率且光斑清晰的大功率单色LED光源，用于替代医学光动力治疗用固态半导体激光光源，降低医疗设备制造成本。

Description

一种大功率LED集成光源用光学镜头组
技术领域
本发明涉及LED照明及医学应用领域，特别涉及一种大功率LED光源用光学镜头组。
背景技术
目前医学上激光光动力疗法(Photodynamic therapy，PDT)已经广泛应用于恶性肿瘤如乳腺癌、鳞癌、非恶性肿瘤性皮肤病如***及寻常痤疮、微生物感染如真菌及细菌感染等疾病治疗领域。所谓光动力疗法是一种联合应用光敏剂及相应光源，通过光动力反应选择性破坏病变组织的全新治疗技术。将光敏剂输入人体，在一定时间后，以特定波长的光照射病变部位，通过一系列光化学和光生物学反应，在分子氧的参与下，产生单态氧和/或自由基，氧化破坏组织和细胞中的各种生物大分子，使异常增生活跃的细胞发生不可逆的损伤，最终使细胞死亡，达到治疗目的。两个本身具有生物安全性的独立成分(光敏剂和光源)结合在一起会引起强烈的细胞毒性，杀死病变组织。
目前光动力治疗用光源大都采用固态半导体激光器，例如在治疗鲜红斑痣时联合使用波长为532nm的半导体激光器和吸收峰在532nm附近的光敏药物复美达(海姆泊芬，Hemoporfin)，而在治疗***时则联合使用波长为630nm的半导体激光器和吸收峰在630nm附近的光敏药物艾拉(盐酸氨酮戊酸)。
激光器输出的光束具有能量密度高、单色性、准直性、相干性等特点,治疗***及鲜红斑痣等疾病时需要的光功率密度约在100～200mJ/cm2。大功率的激光医疗设备体积大，且制造成本高。而且，在光动力治疗过程中除了激光的单色性、高功率密度及准直特性外，光束的相干性并非必要条件。此外，由于光敏药物的吸收峰具有一定的半峰宽，因此对光源的单色性要求并不需要像激光光源那样严格。
LED照明是一种高效绿色照明技术，具有节能、环保及长寿命等诸多优点，其中LED白光照明技术在日常生活中已经获得了广泛的应用，其工作原理是利用蓝光芯片与黄色的荧光粉组合(或其它组合方式)来获得白光。随着科学技术的进步，单色LED照明技术也获得了很好的应用。
一般来说，LED芯片由于其封装支架物理形状的限制，其发光角度普遍在120o，而且偏离其芯片中垂线的角度越大，在该方向上的发光强度越弱。除了上述发光不均匀外，LED芯片发出的光线还是散射光。为了获得高质量的光线，对于单颗芯片的点光源，通常设置一种类似抛物面形状的反光罩(或反光杯)，且LED芯片设置在抛物面的焦点处，这样就可以获得近乎平行光的光束，且光斑清晰(如LED手电的光束)。对于包含多颗LED芯片的大功率集成芯片(COB光源：Chip On Board)，设置抛物面形状的反光罩(或反光杯)则达不到预期的效果，光源发出的光线很不均匀，而且没有清晰的光斑。
上述现有技术的缺陷，限制了LED照明技术在医学及其他科学研究领域更广泛的应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明目的是，提供一种大功率LED集成光源用光学镜头组。
本发明的技术方案是：一种大功率LED集成光源用光学镜头组，包括在与(对称的)LED集成光源相同轴线上分布的2个或3个平凸光学透镜；当2个平凸透镜构成时，第一和第二平凸透镜的平面部分朝向LED集成光源方向；当由3个平凸光学透镜构成时，第一和第二平凸透镜的平面部分朝向LED集成光源方向，第三平凸透镜的凸面朝向LED集成光源；距LED集成光源最近的为第一平凸透镜。距LED集成光源最远的为第三平凸透镜。
3个平凸光学透镜时：
第一平凸透镜的焦距较小，第二和第三平凸透镜的焦距较大，且第二和第三平凸透镜的焦距数值接近或相等；
第一平凸透镜离LED集成光源的距离范围为1cm-8cm，但小于镜头组的焦距；镜头组的长度范围为3cm-8cm；LED集成光源的发光区域被光学透镜组成像在镜头组正前方距离范围为3cm-25cm处；
第一和第二平凸透镜的中心点间距为0-5cm，第二和第三平凸透镜的中心点间距为0-5cm。
2个平凸透镜时：
第一平凸透镜的焦距较小，第二平凸透镜焦距较大；且第一平凸透镜与LED集成光源的距离范围为1cm-8cm，但小于镜头组的焦距；第一和第二平凸透镜的中心点间距为0-5cm；镜头组的长度范围为3cm-8cm；LED集成光源的发光区域被光学透镜组成像在镜头组正前方距离范围为3cm-25cm处；
平凸透镜的外径可以随着LED集成光源的发光区域面积变化而变化，平凸透镜的外径范围为1cm-20cm。
平凸透镜的材质为光学树脂(如聚甲基丙烯酸乙酯-PMMA，或聚碳酸酯-PC等)、或光学玻璃；平凸透镜的双面还可以蒸镀光学薄膜，以获得减反及增透的效果；
平凸镜头可以是球面型光学镜头，也可以是非球面型(如椭圆球、卵形等)光学镜头。
有益效果：本发明中的光学镜头组与特定波长的单色LED大功率集成光源组合使用(一定面积分布的光源均能集束聚光)，可以获得满足光动力医学治疗要求的具有高功率密度及清晰光斑形状的单色LED医疗光源，有效降低光动力治疗设备的制造成本。此外，还可以为科学研究提供大功率的单色光源。
附图说明
图1是单色LED COB光源中的芯片发出的光线通过包含3个平凸光学镜头的镜头组传播的原理图。
图2是单色LED COB光源中的芯片发出的光线通过包含2个平凸光学镜头的镜头组传播的原理图。
图3是由一种单色大功率LED COB光源与本发明所述的包含3个平凸镜头的光学镜头组组成的光源结构示意图。
图4是由一种单色大功率LED COB光源与本发明所述的包含2个平凸镜头的光学镜头组组成的光源结构示意图。
具体实施例：
为了更清晰地表述本发明，下面结合附图对本发明做进一步地描述。
一个系列是：光学镜头组包含3个平凸型的透镜12、13和14。
单色LED COB光源8中的芯片发出的光线通过上述光学镜头组传播的原理图如图1所示。图中所示的COB光源8为为一大功率单色LED集成光源的横截面示意图。光学镜头组11总长为X2，平凸镜头12离COB光源8发光面的距离为X1。COB光源中A位置的芯片发出的3根光线21、22和23经光学镜头组中的平凸透镜12、13和14后，光线22和23相较于镜头组11前方的A’点，其中光线23经过镜头组11后，出射光线平行于镜头组11的中轴线。COB光源8中B位置的相应的3根光线经光学镜头组11中的平凸透镜12、13和14后，相应的2根光线相较于镜头组11前方的B’点，其中有一根光线经过镜头组11后，出射光线平行于镜头组11的中轴线。图中的A’B’即为COB光源8发光区域线段AB的倒立的像，即COB光源8发光区域的形状被镜头组11成像在离镜头组11前方距离为X3的地方，形成清晰的光斑。
上述光学镜头组具备如下特征，平凸透镜12和13的平面部分朝向COB光源8方向，平凸透镜14的凸面朝向COB光源8方向。
上述光学镜头组具备如下特征，平凸透镜12的焦距f12较小，平凸透镜13和14的焦距f13和f14较大，且f13和f14的数值接近或相等。
上述光学镜头组具备如下特征，平凸透镜12与COB光源8间的距离X1小于镜头组11的焦距f，因此COB光源8发出的光线经过光学镜头组11后出射光线的光斑大于COB光源8的发光区域的面积，是一个倒立的放大的像。
上述光学镜头组具备如下特征，平凸透镜12离COB光源8的距离范围为1cm-8cm，镜头组11的长度范围为3cm-8cm，COB光源8发出的光线经光学透镜组11后成的像(清晰光斑)离镜头组11的距离X3范围为3cm-25cm；
上述光学镜头组具备如下特征，平凸透镜13与平凸透镜12中心点的间距为0-5cm，平凸透镜13与平凸透镜14中心点的间距为0-5cm。
上述光学镜头组具备如下特征，平凸透镜12、13和14的外径可以随着COB光源8的发光区域面积变化而变化，目的是为了尽可能多地收集COB光源8中单色LED芯片9所发出的光线；平凸透镜12、13和14的外径范围为1cm-20cm。
上述平凸透镜的材质为光学树脂(如聚甲基丙烯酸乙酯-PMMA，或聚碳酸酯-PC等)、或光学玻璃。
上述平凸透镜的双面还可以蒸镀光学薄膜，以获得减反及增透的效果。
上述组合镜头可以是球面型光学镜头，也可以是非球面型光学镜头。
本发明中的光学镜头组还可以仅包含2个平凸型的透镜12和15。
单色LED COB光源8中的芯片发出的光线通过上述光学镜头组传播的原理图如图2所示。图中所示的COB光源8为实际为一大功率单色LED集成光源的横截面示意图。光学镜头组11总长为X2，平凸镜头12离COB光源8发光面的距离为X1。COB光源8中C位置的芯片发出的3根光线31、32和33经光学镜头组11中的平凸透镜12和15后，光线32和33相较于镜头组11前方的C’点，其中光线33经过镜头组11后，出射光线平行于镜头组的中轴线。COB光源8中D位置的相应的3根光线经光学镜头组11中的平凸透镜12和15后，相应的2根光线相较于镜头组11前方的D’点，其中有一根光线经过镜头组后，出射光线平行于镜头组11的中轴线。图中的C’D’即为COB光源8发光区域线段CD的倒立的像，即COB光源8发光区域的形状被镜头组成像在离镜头组11正前方距离为X3的地方，形成清晰的光斑。
上述光学镜头组具备如下特征，平凸透镜12和15的平面部分朝向COB光源8方向。
上述光学镜头组具备如下特征，平凸透镜12的焦距f12较小，平凸透镜15焦距f15较大。
上述光学镜头组具备如下特征，平凸透镜12与COB光源8间的距离X1小于光学镜头组11的焦距f，因此COB光源8发出的光线经过光学镜头组后出射光线的光斑大于COB光源8的发光区域的面积，是一个倒立的放大的像。
上述光学镜头组具备如下特征，平凸透镜12离COB光源8的距离范围为1cm-8cm，镜头组的长度范围为3cm-8cm，COB光源8发出的光线经光学透镜组11后成的像(清晰光斑)离镜头组的距离X3范围为3cm-25cm。
上述光学镜头组具备如下特征，平凸透镜12与平凸透镜15中心点的间距为0-5cm。
上述光学镜头组具备如下特征，平凸透镜12和15的外径可以随着COB光源8的发光区域面积变化而变化，目的是为了尽可能多地收集COB光源8中单色LED芯片9所发出的光线；平凸透镜12和15的外径范围为1cm-20cm。
上述平凸透镜的材质为光学树脂(如聚甲基丙烯酸乙酯或聚碳酸酯等)、或光学玻璃。
上述平凸透镜的双面还可以蒸镀光学薄膜，以获得减反及增透的效果。
上述组合镜头可以是球面型光学镜头，也可以是非球面型光学镜头。
实施例1.
下面以图3对实施例1进行具体说明。
图3是由一种单色大功率LED COB光源与本发明所述的包含3个平凸镜头的光学镜头组组成的光源结构示意图。
光源包含外壳1、散热风扇5、散热装置6、单色LED集成芯片8(COB光源)、镜头底座10及光学镜头组11。2为光源进风口，3和4为出风口。
上述光源中的散热装置6为具有鳍片的圆柱形铝制散热器，外径10cm，顶部为圆形的铝片。
上述光源中的散热风扇5与散热装置6通过机械方式连接固定，并与外部实现电气连接。
上述光源中LED集成芯片8由80颗波长为640nm的LED芯片9通过16串5并的方式均匀分布并组成电路，并与外部实现电气连接；上述LED芯片封装支架是表面镀银的铜质支架，LED芯片封装支架的芯片设置区域的形状为2.4cm╳2.4cm的长方形。
上述光源中的镜头底座10的底部为外径10cm的圆形铝板，外形与散热装置6顶部的外形尺寸一致；镜头底座10的上部为中空的圆柱型，LED集成芯片8完全落在镜头底座10的中空区域内。
上述光源的镜头组包含3个平凸型的透镜12、13和14，由一圆柱型的中空铝制夹具固定，并在夹具的底部与镜头底座10的上部通过螺纹连接。
上述光源的镜头组具备如下特征，平凸透镜12和13平面部分朝向LED集成芯片8，平凸透镜14的凸面朝向LED集成芯片8，平面朝向光源的出光口16。
上述光源的镜头组中，玻璃平凸透镜12、13及14的焦距分别为7cm，14cm和14cm，外径为5.5cm；镜头组11的长度为6cm，平凸透镜12的平面离镜头底座10的距离为3cm，LED集成芯片8的发光区域被镜头组11成像在镜头组11前方7cm处，光斑尺寸为8cm╳8cm，功率密度为208mJ/cm2。
实施例2.
本实施例与实施例1的区别在于平凸透镜12的材质为玻璃，焦距为7cm，平凸透镜13和14的材质为PMMA，焦距均为14cm，外径为5.5cm；镜头组将COB光源8的发光区域成像在光源出光口16正前方7cm处，光斑尺寸为8cm╳8cm，功率密度为198mJ/cm2。
实施例3.
本实施例与实施例1的区别在于铜质镀银的COB光源8的支架内封装有80颗532nmLED绿光芯片9，电路连接方式为16串5并的方式均匀分布并组成电路，并与外部实现电气连接；平凸透镜12的材质为玻璃，焦距为7cm，平凸透镜13和14的材质为PMMA，焦距均为14cm，外径为5.5cm；透镜组将COB光源8的发光区域成像在光源出光口16正前方7cm处，光斑尺寸为8cm╳8cm，功率密度为218mJ/cm2。
实施例4.
下面以图4对实施例4进行具体说明。
图4是由一种单色大功率LED COB光源与本发明所述的包含2个平凸镜头的光学镜头组组成的光源结构示意图。光源包含外壳1、散热风扇5、散热装置6、单色LED集成芯片8(COB光源)、镜头底座10及光学镜头组11。2为光源进风口，3和4为出风口。
上述光源中的散热装置6为具有鳍片的圆柱形铝制散热器，外径10cm，顶部为圆形的铝片。
上述光源中的散热风扇5与散热装置6通过机械方式连接固定，并与外部实现电气连接。
上述光源中LED集成芯片8由80颗波长为640nm的LED芯片9通过16串5并的方式均匀分布并组成电路，并与外部实现电气连接；上述LED芯片封装支架是表面镀银的铜质支架，LED芯片封装支架的芯片设置区域的形状为2.4cm╳2.4cm的长方形。
上述光源中的镜头底座10的底部为外径10cm的圆形铝板，外形与散热装置6顶部的外形一致；镜头底座10的上部为中空的圆柱型，LED集成芯片8完全落在镜头底座10的中空区域内。
上述光源中的镜头组包含2个平凸型的透镜12和15，由一圆柱型的中空铝制夹具固定，并在夹具的底部与镜头底座10的上部通过螺纹连接。
上述光源中的镜头组具备如下特征，平凸透镜12和15平面部分朝向LED集成芯片8，平面朝向光源的出光口16。
上述光源中的镜头组中，玻璃平凸透镜12和15的焦距分别为8cm和15cm，外径5.5cm；镜头组11的长度为4cm，平凸透镜12的平面离镜头底座10的距离为5cm，LED集成芯片8的发光区域被镜头组11成像在镜头组正前方13cm处，光斑尺寸为9.5cm╳9.5cm，功率密度为154mJ/cm2。

Claims (10)

1.一种大功率LED集成光源用光学镜头组，其特征是，包括在与LED集成光源相同轴线上分布的2个或3个平凸光学透镜；当 2个平凸透镜构成时，第一和第二平凸透镜的平面部分朝向LED集成光源方向；当由3个平凸光学透镜构成时，第一和第二平凸透镜的平面部分朝向LED集成光源方向，第三平凸透镜的凸面朝向LED集成光源；距LED集成光源最近的为第一平凸透镜。
2.根据权利要求1所述的大功率LED集成光源用光学镜头组，其特征是，3个平凸光学透镜时：第一平凸透镜的焦距较小，第二和第三平凸透镜的焦距较大，且第二和第三平凸透镜的焦距数值接近或相等；距LED集成光源最远的为第三平凸透镜。
3.根据权利要求2所述的大功率LED集成光源用光学镜头组，其特征是，第一平凸透镜离LED集成光源的距离范围为1cm-8cm，但小于镜头组的焦距；镜头组的长度范围为3cm-8cm；LED集成光源的发光区域被光学透镜组成像在镜头组正前方距离范围为3cm-25cm处。
4.根据权利要求2或3所述的大功率LED集成光源用光学镜头组，其特征是，第一和第二平凸透镜的中心点间距为0-5cm，第二和第三平凸透镜的中心点间距为0-5cm。
5.根据权利要求2所述的大功率LED集成光源用光学镜头组，其特征是，第一平凸透镜的焦距较小，第二平凸透镜焦距较大；且第一平凸透镜与LED集成光源的距离范围为1cm-8cm，但小于镜头组的焦距。
6.根据权利要求5所述的大功率LED集成光源用光学镜头组，其特征是，第一和第二平凸透镜的中心点间距为0-5cm；镜头组的长度范围为3cm-8cm。
7.根据权利要求1-6之一所述的大功率LED集成光源用光学镜头组，其特征是，LED集成光源的发光区域被光学透镜组成像在镜头组正前方距离范围为3cm-25cm处。
8.根据权利要求1-6之一所述的大功率LED集成光源用光学镜头组，其特征是，平凸透镜的外径随着LED集成光源的发光区域面积变化而变化，平凸透镜的外径范围为1cm-20cm。
9.根据权利要求1-6之一所述的大功率LED集成光源用光学镜头组，其特征是，平凸透镜的材质为光学树脂（如聚甲基丙烯酸乙酯-PMMA，或聚碳酸酯-PC等）、或光学玻璃；平凸透镜的双面还可以蒸镀光学薄膜，以获得减反及增透的效果。
10.根据权利要求1-6之一所述的大功率LED集成光源用光学镜头组，其特征是，平凸镜头是球面型光学镜头，或是非球面型（如椭圆球、卵形等）光学镜头。
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