CN109413802B

CN109413802B - 一种光源***、控制方法及装置

Info

Publication number: CN109413802B
Application number: CN201811483639.4A
Authority: CN
Inventors: 董建飞
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2038-12-06
Also published as: CN109413802A

Abstract

本发明提供一种光源***，包括若干波段的光源、驱动装置、传感器、控制器、上位机；光源用于输出光刺激细胞产生光生物学效应，驱动装置用于生成驱动信号驱动光源输出光，传感器用于测量光源输出光的辐照度值；上位机用于实时显示传感器测量的辐照度值及用户设定的光的波长、频率、脉冲宽度、目标辐照度值，控制器用于根据传感器测量的辐照度值和用户设定的目标辐照度值调节驱动装置生成的驱动信号。本发明还涉及一种光源控制方法、光源装置；本发明采用控制器对光源输出光的辐照度进行精确且快速的跟踪，实现精确控制输出光的辐照度，提高光的生物学效应研究实验结论的准确性。

Description

一种光源***、控制方法及装置

技术领域

本发明属于光源控制技术领域，是一种用于光的生物学效应实验研究或光治疗的一种光源***、控制方法及装置。

背景技术

光的生物学效应是光子作用于细胞或生物组织后产生的代谢、信号传导通路、细胞因子等的一系列变化，是深入研究低强度光治疗的必要理论基础。而低强度光治疗是一种无痛无毒副作用的物理治疗手段，可以治疗包括皮肤病、消炎、镇痛、杀菌在内的多种疾病。因此，研究光的生物学效应具有重要意义。

研究光的生物学效应需要特别设计的光源***。产生生物学效应的光通常是波长在390-1000nm之间，能量密度(0.04～50J/cm2)和功率密度(<100mW/cm2)相对较低。这种情况下，光在细胞内主要产生生物学效应，而不产生明显的热效应。

光的生物学效应研究实验通常采用两种形式的光源。第一种是导光式，即光源内置于光源箱内，光通过光纤导出，常用于激光光源。这种方式产生的光斑较小，光束集中；因此，辐照度相对也比较大。第二种是直下式，即光源独立外置，而其驱动控制信号由电控箱通过电线导出，常用于LED光源。这种方式产生的光斑较大，光束分散；因此，辐照度相对也比较低。

光的生物学效应研究实验采用的光源存在一个主要问题，即光参数不准确，光的辐照度无法精确控制，导致实验结论的不确定性。这是因为光的辐照度值对光的生物学效应研究或光治疗结果有决定性作用。光的辐照度值通常要在一个特定的范围内才有效，太低或太高都有可能无效，太高的辐照度甚至会产生毒副作用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出的一种光源控制方法，解决了现有光的生物学效应研究实验采用的光源存在光参数不准确，光的辐照度无法精确控制，导致实验结论的不确定性的问题。

本发明提供一种光源***，包括若干波段的光源、驱动装置、传感器、控制器、上位机；所述光源用于输出光刺激细胞产生光生物学效应，所述驱动装置用于生成驱动信号驱动所述光源输出光，所述传感器用于测量所述光源输出光的辐照度值；所述上位机用于实时显示所述传感器测量的辐照度值及用户设定的光的波长、频率、脉冲宽度、目标辐照度值，所述控制器用于根据所述传感器测量的辐照度值和用户设定的目标辐照度值调节所述驱动装置生成的驱动信号。

进一步地，所述光源由LED芯片阵列构成，所述光源的光谱半波宽不超过30nm。

进一步地，所述驱动装置包括微处理器、恒流驱动器，所述恒流驱动器输出恒流电流驱动所述光源，所述微处理器输出脉冲宽度调制信号调节所述恒流驱动器输出的恒流电流幅值；

还包括恒压驱动器，所述恒压驱动器用于将交流电压转换成直流电压给所述微处理器、所述恒流驱动器供电。

进一步地，所述传感器为光电二极管、光电三极管、光敏电阻或光电倍增管。

一种光源控制方法，包括以下步骤：

S0、驱动光源，通过驱动信号驱动光源输出光刺激细胞产生光生物学效应；

S1、测量辐照度值，根据传感器的输出电压和定标系数计算辐射度值，得到测量辐照度值；

S2、反馈控制光源，采用控制算法根据所述测量辐照度值和用户设定的目标辐照度值计算控制信号，通过所述控制信号调节所述驱动信号。

进一步地，在步骤S0中，所述驱动信号为恒流电流，在步骤S0中还包括通过脉冲宽度调制信号调节所述恒流电流的幅值。

进一步地，在步骤S1中，记录在所述光源与所述传感器的若干垂直位置上所述传感器的输出电压和标准光功率计测量的辐照度值，采用最小二乘法计算所述定标系数。

进一步地，在步骤S2中，所述控制算法为PID控制算法或鲁棒控制算法。

一种光源装置，包括：处理器；

存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行光源控制方法。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的光源***示意图；

图2为本发明的大功率LED光源的电驱动原理示意图；

图3为本发明的光源控制方法流程图；

图4为本发明的传感器定标流程图；

图5为本发明的LED光源输出光辐照度的闭环控制原理示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

一种光源***，如图1所示，包括若干波段的光源、驱动装置、传感器、控制器、上位机；光源用于输出光刺激细胞产生光生物学效应，驱动装置用于生成驱动信号驱动光源输出光，传感器用于测量光源输出光在某一点的辐照度值；上位机用于实时显示传感器测量的辐照度值及用户设定的光的波长、频率、脉冲宽度、目标辐照度值，供用户查看实验中实际的辐照度值。控制器用于根据传感器测量的辐照度值和用户设定的目标辐照度值调节驱动装置生成的驱动信号，通过调节后的驱动信号驱动光源输出不同辐照度的光。优选地，每一种波段的光源由一种相同的波段的大功率LED芯片阵列构成，光源的光谱半波宽不超过30nm，保证光的单色性和光谱的相对唯一性。常用于光的生物效应研究及光治疗的波段如紫外光210nm和358nm，可见光如450nm、630nm、660nm，以及近红外光810nm等，本实施例中，光源还包括光学透镜、保护罩以及散热装置等结构，散热装置对光源进行散热，保护罩保护光源，光源发射的光通过光学透镜输出至细胞上。

由于LED芯片阵列构成的光源是一种电流器件，应使用恒流电源对其进行驱动，以保证电流幅值的稳定性。如图2所示，优选地，驱动装置包括微处理器、DCDC恒流驱动器，DCDC恒流驱动器输出恒流电流驱动光源，微处理器输出一定占空比的PWM信号以调节DCDC恒流驱动器输出的恒流电流幅值，占空比与恒流电流幅值成正比。还包括ACDC恒压驱动器，ACDC恒压驱动器用于将交流电压(如220V交流电压)转换成直流电压给微处理器、DCDC恒流驱动器供电。

优选地，传感器为覆盖紫外光、可见光、近红外光范围内常用波段的光电二极管、光电三极管、光敏电阻或光电倍增管等。传感器测量的辐照度值由传感器的实测输出电压与标准精密光功率计定标得出，即满足以下线性关系：

Ee＝a*R

其中，Ee表示辐照度(mW/cm²)，R表示传感器的输出电压经AD转换后的读出值，a为定标系数，定标系数a可使用多次测量的传感器的输出电压R和标准功率计测量的辐照度值Ee的最小二乘拟合方法得出。本实施例中，传感器可安装在被测细胞样品如培养细胞的孔板、培养皿等的旁边或者培养皿正下方，传感器不同的安装位置对应于不同的定标系数。

由于LED光源的输出光功率随光源温度的上升而减小，仅采用恒流电流驱动无法保证光源输出的准确性和稳定性，因此本方案的一种光源控制方法，如图3所示，包括以下步骤：

S0、驱动光源，通过驱动信号驱动光源输出光刺激细胞产生光生物学效应；优选地，在步骤S0中，驱动信号为恒流电流，在步骤S0中还包括通过PWM信号调节恒流电流的幅值。本实施例中，LED光源在恒流电流的驱动下输出连续光或脉冲光，从而刺激样品中的细胞进行光生物学效应实验。

S1、测量辐照度值，根据传感器的输出电压和定标系数计算辐射度值，得到测量辐照度值；如图4所示，优选地，在步骤S1中，固定光源与传感器在水平面上的相对位置，记录在光源与传感器的若干垂直位置上传感器的输出电压和标准光功率计测量的辐照度值，具体地，在光源与传感器的第一个垂直位置上记录传感器的输出电压R和标准光功率计测量的辐照度值Ee,一直到在光源与传感器的第N个垂直位置上记录传感器的输出电压R和标准光功率计测量的辐照度值Ee，采用最小二乘法计算定标系数。

S2、反馈控制光源，采用控制算法根据测量辐照度值和用户设定的目标辐照度值计算控制信号，通过控制信号调节驱动信号。当光源输出ON与OFF交替的脉冲光时，控制器只控制其ON周期的幅值。优选地，在步骤S2中，控制算法为PID控制算法或鲁棒控制算法等。本实施例中，采用PID控制算法根据测量辐照度值和用户设定的目标辐照度值计算控制信号，具体的控制信号计算公式如下：

u(t)＝Pe+I∫edt+Dde/dt

其中，u(t)为控制信号，e(t)＝r(t)-Ee(t)为误差信号，r(t)为目标辐照度值，P、I、D分别为比例、积分、微分控制系数。PID控制器的系数可采用经典控制中的相位校正法或者最优控制理论中的鲁棒控制算法得出。

在一实施例中，如图5所示，采用上述方法对一种波长的LED通道进行闭环控制实验，控制器从上位机获得目标辐照度值，从传感器获得测量辐照度值，通过目标辐照度值和测量辐照度值生成控制信号，通过控制信号控制恒流驱动器的恒流电流，通过恒流电流驱动LED光源输出辐照度值为目标辐照度值的光，控制器能够实现在对输出光辐照度的精确且快速的跟踪，其稳态误差为0，即对光辐照度的跟踪达到了目标辐照度值的控制精度。

一种光源装置，包括：处理器；

存储器；以及程序，其中程序被存储在存储器中，并且被配置成由处理器执行，程序包括用于执行光源控制方法。

以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种光源***，其特征在于：包括若干波段的光源、驱动装置、传感器、控制器、上位机；

所述光源用于输出光刺激细胞产生光生物学效应；

所述驱动装置用于生成驱动信号驱动所述光源输出光，所述传感器用于测量所述光源输出光的辐照度值；其中，传感器测量的辐照度值由所述传感器的实测输出电压与标准精密光功率计定量得出，满足Ee＝a*R，Ee表示辐照度(mW/cm 2)，R表示传感器的输出电压经AD转换后的读出值，a为定标系数，定标系数a可使用多次测量的传感器的输出电压R和标准功率计测量的辐照度值Ee的最小二乘拟合方法得出；

所述上位机用于实时显示所述传感器测量的辐照度值及用户设定的光的波长、频率、脉冲宽度、目标辐照度值；

所述控制器用于根据所述传感器测量的辐照度值和用户设定的目标辐照度值调节所述驱动装置生成的驱动信号。

2.如权利要求1所述的一种光源***，其特征在于：所述光源由LED芯片阵列构成，所述光源的光谱半波宽不超过30nm。

3.如权利要求2所述的一种光源***，其特征在于：所述驱动装置包括微处理器、恒流驱动器，所述恒流驱动器输出恒流电流驱动所述光源，所述微处理器输出脉冲宽度调制信号调节所述恒流驱动器输出的恒流电流幅值；

4.如权利要求1所述的一种光源***，其特征在于：所述传感器为光电二极管、光电三极管、光敏电阻或光电倍增管。

5.一种光源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、测量辐照度值，根据传感器的输出电压和定标系数计算辐射度值，得到测量辐照度值；记录在所述光源与所述传感器的若干垂直位置上所述传感器的输出电压和标准光功率计测量的辐照度值，采用最小二乘法计算所述定标系数；

6.如权利要求5所述的一种光源控制方法，其特征在于：在步骤S0中，所述驱动信号为恒流电流，在步骤S0中还包括通过脉冲宽度调制信号调节所述恒流电流的幅值。

7.如权利要求5所述的一种光源控制方法，其特征在于：在步骤S2中，所述控制算法为PID控制算法或鲁棒控制算法。

8.一种光源装置，其特征在于包括：处理器；

存储器；以及程序，其中所述程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由处理器执行，所述程序包括用于执行如权利要求5所述的方法。