CN113908446A - 一种双路近红外激光集成医疗光源及制备 - Google Patents
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Abstract
一种双路近红外集成医疗光源，包括封装基板、垂直腔面发射近红外激光器芯片组、红光LED芯片组、双路基板电极、基板定位孔、透镜组；所述封装基板为高导热陶瓷材料、铝板或铜板；封装基板上覆盖有高强度导热绝缘薄膜材料，在绝缘导热薄膜上制备有近红外激光器芯片组、红光LED芯片组双路芯片电气连接电路，电路上覆盖有高强度绝缘薄膜；在基板上部覆盖的导热绝缘薄膜上预留双路连接电路的正负电极区域；基板的中心区域且覆盖导热绝缘薄膜材料的表面为垂直腔面发射近红外激光器芯片和红光LED芯片的放置区域；透镜组将基板上封装的垂直腔面发射近红外激光器芯片的发光图像成像在离光源***出光口前方15±10cm。
Description
技术领域
本发明属于医学保健康复医疗设备领域，尤其涉及一种双路近红外集成医疗光源及应用。
背景技术
红外线是一种不可见光，在电磁波谱中它的波长范围为760nm-15um。目前医用红外线分为两段，即短波红外线(亦称近红外线，波长760nm-1.5um)和长波红外线(包含中红外线及远红外线，波长1.5um-15um)。物理光线随着波长的增加(即光子能量的下降)其穿透人体组织的能力逐渐增强。
红外线光子能量被皮肤及皮下组织吸收后，可以产生如下的治疗作用：引起血管扩张、血流加速、局部血液循环改善、组织营养代谢加强；加快局部渗出物吸收，促进肿胀的消退。使骨骼肌的肌张力降低，胃肠平滑肌松弛，缓解肌痉挛。降低感觉神经兴奋，提高疼痛阈值。同时血液循环的改善、缺血缺氧的好转、渗出物的吸收、肿胀的消退、痉挛的缓解等综合因素可达到镇痛的治疗作用。
从以上的红外线治疗机理可以看出，由于近红外线对人体组织的穿透深度较大，近红外线治疗对软组织挫伤(如皮肤、皮下浅深筋膜、肌肉、肌腱、腱鞘、韧带、关节囊、滑膜囊、椎间盘、周围神经血管等组织的病理损害等)具有更好的疗效。
对于一些急性外伤，长波红外线治疗由于产生大量的热是被禁止使用的。通常急性损伤发生后使用冰敷的方法，约24-48小时后待局部出血、渗出停止后才可以使用长波红外线治疗。而近红外线光子能量不易被人体表皮中的水分吸收，因此治疗过程中不会产生大量的热量，其光子能量被深层组织吸收，起到镇痛等治疗作用。
此外，在使用安全性上，近红外线治疗也具有优势。由于长波红外设备在使用时会产生大量的热量，因此该类治疗设备在使用时都需要专门的治疗师来操作。而患者使用类似的家用治疗设备时还容易被烫伤。
尽管近红外线治疗具有如此多的优势，一直以来近红外线治疗仪并不多见。这主要是由于近红外线光源不易获得。由于水分子对波长在约1um以上的红外光线的吸收系数呈级数增长，因此对人体组织穿透能力最强，或者说对人体组织康复治疗最有效的波长应该在1um左右。目前Nd:YAG激光器(波长为1064nm)已经被医院疼痛科用于患者的康复治疗，取得了良好的疗效。这类激光器价格昂贵，也仅仅在大型医院的疼痛科获得了应用，且使用时必须要专业的医师操作。近年来随着LED(light-emitting diode:光发射二极管)芯片技术获得长足的进步，目前已经可以获得从紫外(365nm)到近红外(1550nm)的LED单色芯片。由于LED芯片其发光角度有120度，因此难以获得具有清晰光斑的光源。尽管使用特殊的组合镜头技术可以获得清晰的光斑，但由于光线通过多重透镜后其透射的光功率密度大幅降低，出射的近红外线已经不具备好的医疗价值。
基于上述事实，近红外线治疗方法还没有在康复治疗(包括家庭治疗)领域获得广泛的应用。
中国发明专利申请(申请号：202010521887.4)是本申请人公开的一种短波红外集成医疗光源及应用，该专利的技术方案就是将一种波长为940nm的低功率垂直腔面发射近红外激光器芯片通过一定的工艺封装成一种集成医疗光源。该集成光源发光效率高，安全可靠，适合于医学保健康复设备领域的应用。利用该集成近红外光源可以制造分别应用于医院及家庭使用的保健康复医疗设备。所述医疗光源包括以下部件：封装基板、垂直腔面发射激光器芯片、基板电极、基板定位孔；所述的封装基板，其主体材质为高导热陶瓷材料，或铝板，或铜板；基板上覆盖有高强度导热绝缘薄膜材料，在导热绝缘薄膜上制备有芯片电气连接电路，电路上覆盖有高强度绝缘薄膜；在基板上部覆盖的绝缘薄膜上预留连接电路的正负电极区域；基板的中心区域为垂直腔面发射激光器芯片的放置区域。
除了光源波长及其功率密度需要达到康复治疗的要求，如作为激光医疗设备的主要部件，还需满足国家食品药品监督管理局的一系列监管要求，如《医用电器设备第1部分：安全通用要求》(GB 9706.1-2007)、《激光产品的安全第1部分：设备分类、要求》(GB7247.1-2012)、《医用电气设备第2部分：诊断和治疗激光设备安全专用要求》(GB9706.20-2000)、《特定电磁波治疗器》(YY/T 0061-2007)、《医用电器环境要求及试验方法》(GB14710-2009)、《热辐射类治疗设备安全专用要求》(YY 0306-2008)及《医用电气设备第1-2部分：安全通用要求并列标准：电磁兼容要求和试验》(YY0505-2012)等法规文件。
根据《激光产品的安全第1部分：设备分类、要求》(GB 7247.1-2012)和《医用电气设备第2部分：诊断和治疗激光设备安全专用要求》(GB9706.20-2000)规定，激光医疗设备必须配备目标指示装置，该装置必须在激光辐射发射前发射瞄准光束，用来指示工作激光光束将照射人体预定的位置区域。
但中国发明专利申请(申请号：202010521887.4)公开一种短波红外集成医疗光源及应用中，目标指示光束和治疗光束同时发射，不能满足《医用电气设备第2部分：诊断和治疗激光设备安全专用要求》(GB9706.20-2000)要求。针对现有近红外治疗光源领域遇到的技术困难及使用上的不足，本发明公开一种双路近红外激光集成医疗光源。且两者有机集成在一道。
发明内容
本发明目的是，针对现有近红外治疗光源领域遇到的技术困难及使用上的不足，本发明提出了一种双路近红外激光集成医疗光源，将一种波长为940nm的低功率垂直腔面发射近红外激光器芯片通过一定的工艺封装成的一种集成医疗光源，同时在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列图案的***(也可以包含在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列图案中)设置一组红光LED芯片，且940nm的低功率垂直腔面发射近红外激光器芯片和一组红光LED芯片采用双电路控制，以达到在工作激光光束照射前发射瞄准光束，以便于调整医疗光源瞄准预定的人体照射位置。
本发明的技术方案是，一种集成医疗光源，包括封装基板、垂直腔面发射近红外激光器芯片组、红光LED芯片组、双路基板电极、基板定位孔、透镜组；所述封装基板的主体材质为高导热陶瓷材料、铝板或铜板；封装基板上覆盖有高强度导热绝缘薄膜材料，在绝缘导热薄膜上制备有垂直腔面发射近红外激光器芯片组、红光LED芯片组双路芯片电气连接电路，电路上覆盖有高强度绝缘薄膜；在基板上部覆盖的导热绝缘薄膜上预留双路连接电路的正负电极区域；基板的中心区域且导热绝缘薄膜材料表面为垂直腔面近红外发射激光器芯片(组或阵列)和红光LED芯片的放置区域；垂直腔面发射近红外激光器芯片组、红光LED芯片组上方的透镜组将基板上封装的垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列和红光LED芯片的发光图像成像在离光源***出光口前方15±10cm。
所述每只垂直腔面发射近红外激光器芯片包括如下三部分：上分布布拉格反射镜(P-DBR)、有源区和下分布布拉格反射镜(N-DBR)；有源区材料体系为GaInAs/GaAs材料；垂直腔面发射近红外激光器芯片的出光方式采用顶出射方式，且出射的激光束呈圆形光斑，其光束外沿与芯片的中垂线成约12±3o角，芯片所发出光线的中心波长约940nm；单颗垂直腔面发射近红外激光器芯片的光功率范围为0.01-1W。
红光LED芯片的中心波长为680nm左右，单颗红光LED芯片的功率在0.1-1W；红光LED芯片非唯一选择，也可以选择波长在440nm-810nm范围的其他可见光或近红外芯片，其设置目的是为垂直腔面发射近红外激光器芯片发出的激光束指示照射目标；红光波长较其他可见光波长较长，对人体组织的穿透能力较强，同样具备较好的治疗作用，且与近红外光比亮度较强，因此优选红光LED芯片。
封装基板中垂直腔面发射近红外激光器芯片组和红光LED芯片组分别具有独立的芯片间电气连接电路，且在芯片发光区域的***边缘为两组芯片设置了独立的辅助连接电极组，分别为垂直腔面发射近红外激光器芯片组及红光LED芯片组提供辅助电路连接，最终分别与基板上预留的双路连接电路的正负电极区域连接；在基板上部预留的双路连接电路的正极和负极电极区域的布放位置、图案、双路正极和负极电极区的布放相对位置及顺序可以任意设定，目的是起到借助于外部电源给垂直腔面发射近红外激光器芯片及红光LED芯片两组芯片电路分别供电。
其封装基板中心区域为垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列和红光LED芯片的放置区域，或称为发光区域；垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列中，各芯片间可以串联、或并联，或混连，以获得满足外部供电电源的额定电压和电流；也可以根据垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列实际的连接方式计算出对外部供电电源总的电压和电流需求来设计一款供电电源(或驱动器-driver)；红光LED芯片之间的连接可以是串联，或者是并联，或者混连，以获得满足外部供电电源的额定电压和电流；也可以根据红光LED芯片间实际的连接方式计算出对外部供电电源总的电压和电流需求来设计一款供电电源(或驱动器-driver)；如果红光LED芯片的数量较少，则优选串联方式，以方便电源电路设计；芯片组为垂直腔面发射近红外激光器芯片，按设计的阵列图形固定在基板中央的芯片安置区域；芯片阵列的外形轮廓为正方形、或长方形、或类圆形，或其它任意形状。
其中透镜组采用2-3个(平)凸透镜的组合，目的是将基板上封装的垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列(含红光LED芯片)的图像成像在离光源***出光口前方15cm左右；与垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列图案比，所成的像为放大的实像；上述成像***的可调参数很多，除了芯片离透镜的距离，透镜组的厚度、镜头筒直径，还包括透镜1、透镜2及透镜3的焦距、厚度及各透镜间的距离；透镜组设计可以存在多种方案，目的有2个：一是将垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列(含红光LED芯片)的图形放大到前方指定的场点，另外将红光LED光斑成像在前方指定的场点，以指示红外光的照射区域轮廓；封装基板上垂直腔面发射近红外激光器芯片之间的几何距离、光源***的光路参数(如透镜组的几何参数)经过精心设计，使得该光源***照射到光源前方15cm处人体指定区域的激光功率密度小于200mW/cm2。
本发明是将垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列(含红光LED芯片)的图形清晰地成像在前方指定的场点；透镜组方案还可以设计成透镜1+透镜2方案，甚至为仅含透镜1的方案，只要经过透镜后在前方指定场点可以分辨红光光斑即可。
双路近红外激光集成医疗光源，所述双路近红外集成医疗光源包括以下部件：封装基板1、垂直腔面发射近红外激光器芯片(阵列)10、红光LED芯片9、双路基板电极5和6，所述的封装基板1主体材质为高导热陶瓷材料、铝板或铜板；基板上覆盖有高强度导热绝缘薄膜材料，在绝缘导热薄膜上制备有双路芯片(近红外芯片与红光芯片)的电气(主要指电极与导线)连接电路，电路上覆盖有高强度绝缘薄膜；在基板上部覆盖的导热绝缘薄膜上预留双路连接电路即正负电极区域(5和6)；基板的中心区域为垂直腔面发射近红外激光器红外芯片10和红光LED芯片的放置区域4；所述垂直腔面发射近红外激光器芯片10，包括如下三部分：上分布布拉格反射镜(P-DBR)、有源区和下分布布拉格反射镜(N-DBR)；有源区材料体系为GaInAs/GaAs材料；垂直腔面发射近红外激光器芯片的出光方式采用顶出射方式，且出射的激光束呈圆形光斑，其光束外沿与芯片的中垂线成约12±3°角，芯片所发出光线的中心波长约940nm；单颗垂直腔面发射近红外激光器芯片的光功率范围为0.01-1W；目标指示芯片红光LED芯片9非唯一选择，也可以选择波长范围在440nm-810nm的其他可见光或近红外芯片，其设置目的是为工作激光指示照射目标，单颗红光LED芯片的功率在0.1-1W；由于红光波长较其他可见光波长较长，对人体组织的穿透能力较强，同样具备较好的治疗作用，且与近红外光比亮度可见较强，因此优选红光LED芯片。还设有基板定位孔2，结构示意图如图1所示。
为了垂直腔面发射激光器芯片10和红光LED芯片9两组芯片电路中独立芯片间电气连接的方便，封装基板1中在基板芯片发光区域4的***边缘为两组芯片设置了辅助的两连接电极组7和8，其中第一电极组7为红光LED芯片组提供辅助连接，第二电极组8为垂直腔面发射近红外激光器芯片组提供辅助电连接。
在上部覆盖的绝缘薄膜上预留连接电路即正极和负极电极区域5和6，正极和负极电极区域5和6的位置、图案及顺序可以任意设定，目的是起到借助于外部电源给垂直腔面发射近红外激光器芯片10和红光LED芯片9两组芯片电路分别供电。
基板的中心区域4为垂直腔面发射近红外激光器芯片10阵列和红光LED芯片9的放置区域，或称为发光区域。垂直腔面发射近红外激光器(近红外)芯片10阵列中，各芯片间可以串联、或并联，或混连，以获得满足外部供电电源的额定电压和电流；也可以根据垂直腔面发射近红外激光器芯片10阵列实际的连接方式计算出对外部供电电源总的电压和电流需求来设计一款供电电源(或驱动器-driver)。红光LED芯片9之间的连接可以是串联，或者是并联，或者混连，以获得满足外部供电电源的额定电压和电流；也可以根据红光LED芯片9间实际的连接方式计算出对外部供电电源总的电压和电流需求来设计一款供电电源(或驱动器-driver)；如果红光LED芯片9的数量较少，则优选串联方式，以方便电源电路设计。
在垂直腔面发射近红外激光器芯片10阵列连接电路的正负电极6间施加合适的电压、通过合适的电流，垂直腔面发射近红外激光器芯片可以从上表面出射光斑为圆形的激光束，激光束的圆形光斑的外沿与芯片的中垂线成约12o角。
在红光LED芯片9连接电路的正负电极5间施加合适的电压、通过合适的电流，红光LED芯片9可以发出红色的光线；由于红光LED芯片9的发光角度在120o左右，红光LED芯片9发出的是红色的弥散光线。
双路近红外激光集成医疗光源可以包含多颗垂直腔面发射近红外激光器芯片，具体的数量依据光源所设计的总光功率确定，因此该医疗光源包含的是一种集成垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列。
多颗垂直腔面发射近红外激光器芯片在基板的芯片封装区域(发光区域)可以放置成正方形轮廓、或长方形轮廓、或类圆形轮廓、或任意平面图形；集成垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列出射光的照射区域(或光斑)与基板上封装的外形轮廓一致；光斑的尺寸与照射区域离芯片的垂直距离有关，距离越远，光斑越大。
由于近红外肉眼不可见，且激光对人体具有潜在的危害性，根据《激光产品的安全第1部分：设备分类、要求》(GB 7247.1-2012)和《医用电气设备第2部分：诊断和治疗激光设备安全专用要求》(GB9706.20-2000)规定，激光医疗设备必须配备目标指示装置，该装置可以发射可见瞄准光束，在激光辐射发射前用来指示工作激光光束将照射人体预定的作用点。瞄准光束和工作光束的作用点必须重合，瞄准光点直径必须不超过工作光点直径的1.5倍。为满足法规对激光医疗设备的要求，本发明在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列中，或***某些特殊位置放置波长为红光的LED芯片。由于红光LED芯片9发出的是红色弥散光线，还必须在芯片出射光的前方设置一聚光透镜组，以将红光LED芯片9发出的弥散光线在人体需要治疗的部位聚焦成小的红色光斑，以调整并瞄准治疗区域。
原理上，也可以使用近红外波段的垂直腔面发射近红外激光器芯片(如波长在808nm附近的芯片可以发出微弱的红色光线)来替代红光LED芯片9。由于808nm垂直腔面发射近红外激光器芯片发出的红光较暗，需要用大功率的芯片来发出指示光束，这样其激光功率因超过安全激光的标准(20mW以下的激光辐射被认为对人体是安全的)又会导致人体组织受到潜在的危害，不能满足医疗法规的要求。据此，红光LED芯片9优选波长较长的红光LED芯片。
红光LED芯片9在基板发光区域的位置与垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列的图案形状关联。红光LED芯片9设置在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列图案中，或***。例如，当垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列是方形图案时，优选方形图案的四角位置设置红光LED芯片9；当垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列是圆形图案时，优选圆形图案相互垂直的多条直径与圆周的交点位置设置红光LED芯片9，具体数量以红光光斑可以大致形成一个垂直腔面发射激光器芯片阵列图案轮廓为宜。
根据《激光产品的安全第1部分：设备分类、要求》(GB 7247.1-2012)规定，940nm近红外波长激光辐射皮肤的最大允许辐射量(MPE)必须小于200mW/cm2(在治疗时近红外激光医疗设备的出光口离患者的受光部位一般保持15cm左右)。要满足这一条件，在封装基板上芯片之间的几何距离必须经过精心设计以满足法规要求。
如结构示意图1所示，为简化起见，假如集成芯片的阵列轮廓为正方形，集成芯片10的近红外线的出光功率密度可以按如下方法估算。
如示意图2所示，正方形轮廓的集成芯片的边长为D，芯片离患者接受照射部位的距离为L，照射在患者身体部位的正方形红外光斑的边长为R，则：
R＝D+2L*tanα
患者表面接受到的近红外线照射的光功率密度为：
式中W为集成垂直腔面发射近红外激光器芯片总的光功率W＝Nw，w为单颗芯片的光功率，N为芯片的颗数(在基板上所用红光LED芯片的功率密度与单颗垂直腔面发射近红外激光器芯片所发射的光功率接近，这里认为近似相等)。
优选小功率的垂直腔面发射近红外激光器芯片，单颗垂直腔面发射近红外激光器芯片的光功率密度范围为0.01-1W。
由于在集成垂直腔面发射近红外激光器芯片光线传播路径的前方还设置了聚光透镜组，实际照射到人体上的光斑面积会有所缩小，因此，计算时需要根据透镜组对图像的放大倍数来计算红外照射光斑的面积，再与无透镜组时的理论面积对比，来调整集成芯片的阵列的物理参数。
尽管利用光学镜头技术(或组合镜头技术)可以将大功率的单颗垂直腔面发射近红外激光器芯片发出的小光斑的近红外光线扩束为满足《激光产品的安全第1部分：设备分类、要求》(GB 7247.1-2012)规定，但光源***出光口处高功率密度的近红外光束依然会给操作人员或患者带来意外伤害。
近红外集成芯片封装采用如下步骤：
固晶，将垂直腔面发射近红外激光器芯片10按设计的阵列图形固定在基板中央的芯片安置区域4；芯片阵列的外形可以为正方形、或长方形、或类圆形，或其它任意形状。
为了将底电极引出，在封装芯片时使用同时具有良好导热及导电性的金属垫片作为垂直腔面发射近红外激光器芯片及基板间的中间接触；金属垫片优选金片、铜或铝片。
将红光LED芯片9安置在根据垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列所设计图形的预设位置，使得经过前方的透镜组聚焦后在光源出光口前方15cm处红光光斑可以大致形成一个垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列图案轮廓。
焊线，垂直腔面发射近红外激光器芯片组中各芯片之间以串联、并联或混联的方式实现电气连接。
利用金线或铝线将垂直腔面发射近红外激光器芯片10(电极)之间实现电气连接，借助基板发光区域4***边缘的辅助电极8最终实现与基板上的预留电极6连接。
为了避免后续注胶及烘烤工艺中芯片与基板电路间电极引线受到应力可能引起的焊接脱落，还可以在基板芯片安置区域4空白的地方放置额外的硅片，将硅片作为电极引线的焊接过渡平台。
红光LED芯片组中各芯片之间的连接可以是串联，或者是并联，或者混连。
利用金线或铝线将红光LED芯片组中各芯片之间实现电气连接，借助基板发光区域4***边缘的辅助电极7最终实现与基板上的预留电极5连接。
注胶，往基板1的芯片安置区域4注入胶水；胶水为LED(light emitting diode)芯片封装技术中常用的硅胶类胶水；胶水具有高的透光率，且固化后收缩率不宜太大，以免损坏垂直腔面发射近红外激光器芯片间的电气连接。
烘烤，将注过胶的上述基板放置在烘箱中，使胶水固化；使用不同特性的胶水其烘干温度及烘干时间会有所不同。
根据上述集成垂直腔面发射近红外激光器芯片中单颗芯片的电学参数、芯片数量及电气连接方式，可以计算出集成芯片的额定工作电压及工作电流。
通过基板上集成垂直腔面发射近红外激光器芯片10的正负电极6及红光LED芯片9的正负电极5分别连接特定的外部直流电源，集成芯片就可以发出我们需要的波长的近红外光线，以及用于瞄准的红光。
所述的双路近红外激光集成医疗光源用于康复医疗设备的近红外激光集成医疗光源，如图3所示，包含散热器、双路近红外(红光)激光光源、散热风扇、透镜组；散热器的材质为金属铝，或铜，或高导热陶瓷；透镜组为一组(平)凸镜头，将近红外激光集成医疗光源中垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列的像成在光源***前方；集成医疗光源***中垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列的物理尺度、单颗芯片的光功率、单颗芯片之间的间隔、透镜组的焦距、透镜组中各光学镜头的材质及透光率之间具有协同效应，确保在离光源***出光口前方约15cm处的光功率密度小于200mW/cm2；但要大于50mW/cm2；透镜组确保红光LED芯片组发出的弥散光线经透镜组聚焦后在离光源***出光口前方约15cm处附近形成清晰的红光光斑图案，该图案描绘了垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列所发出的近红外激光经透镜组所成像的光斑轮廓。
上述透镜组采用3个平凸透镜的组合，目的是将基板上封装的垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列(含红光LED芯片)的图案成像在离光源***出光口M前方X3处，这里设定X3的距离在15cm左右；所述光源***的光路图如图4所示，X1为芯片离透镜1的距离，X2为透镜组的厚度，M点为光源***出光口的位置，镜头筒直径为D0，X3为出光口M离包含P点的成像平面(人体接受激光辐射治疗的位置)的距离。设想，芯片发出的两根光线A和B，经过透镜组后成为光线A’和B’，光线A’和B’相交于P点，则垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列(含红光LED芯片)的图案就会成像在P点所在的与光路垂直的平面S上，图像放大倍数为D1/D。与垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列图案比，所成的像为放大的实像。D1为垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列(假设为方形也可为圆形)的边长D经透镜组后在X3处所成实像的长度。与垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列图案比，所成的像为放大的实像。激光器芯片的电流与电压的控制视输出光的强度满足疗效的要求为好，可以调节，且余地很大
需要强调的是，上述成像***的可调参数很多，除了芯片离透镜1的距离X1，透镜组的厚度X2，镜头筒直径为D0，还包括透镜1、透镜2及透镜3的焦距、厚度及各透镜间的距离。因此，所说透镜组设计存在多种方案，目的有2个：一是将垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列(含红光LED芯片)的图形放大到前方指定的场点，另外将红光LED光斑成像在前方指定的场点，以指示近红外光的照射区域轮廓。
此外，目前的设计可以将垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列(含红光LED芯片)的图形清晰地成像在前方指定的场点，但需要说明的是，即使略微模糊的图像(含红光LED光斑)也不会显著影响其定位效果，更不会显著影响近红外光的治疗效果。因此，上述3透镜组合方案可以改成透镜1+透镜2方案，或透镜1+透镜3方案，甚至为仅含透镜1的方案，只要经过透镜后在前方指定场点可以分辨红光光斑即可。
本发明主要将一种波长为940nm的低功率垂直腔面发射近红外激光器芯片(外购)通过一定的工艺封装成的一种集成医疗光源，同时在垂直腔面发射近红外激光器芯片图案的***设置一组红光LED芯片。同时，在瞄准光束的前端设置一透镜组，将红光LED的灯珠成像在人体的预定照射位置，以达到为工作激光光束瞄准的目的。940nm的低功率垂直腔面发射近红外激光器芯片和一组红光LED芯片采用双电路控制，以达到在工作激光光束照射前发射瞄准光束，以调整并瞄准预设的人体接受辐射位置。
有益效果：本发明将一种波长为940nm的低功率垂直腔面发射近红外激光器芯片通过一定的工艺封装成的一种集成医疗光源，并在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列图案的***设置一组红光LED灯珠，用于瞄准光束。同时，在瞄准光束的前端设置一透镜组，将红光LED的灯珠成像在人体预定的受辐照位置，以达到为工作激光光束瞄准的目的。940nm的低功率垂直腔面发射近红外激光器芯片组和红光LED芯片组采用双电路控制，以达到在工作激光光束照射前发射瞄准光束，以调整并瞄准预设的人体接受辐射位置。提出了一种能根据《激光产品的安全第1部分：设备分类、要求》(GB 7247.1-2012)及《医用电气设备第2部分：诊断和治疗激光设备安全专用要求》(GB9706.20-2000)规定的双路近红外激光集成医疗光源，照射到人体上的红外波段的激光功率密度小于200mW/cm2(在治疗时红外医疗设备出光口离患者的受光区域一般保持在15cm左右)，同时在该近红外激光辐射发射前提供红光瞄准光束，以调整激光辐射方向并瞄准治疗区域。在封装基板上芯片之间的几何距离及透镜组几何参数必须经过精心设计。经过精心设计集成垂直腔面发射近红外激光器芯片和红光LED芯片前方的平凸透镜组技术参数将红光LED芯片组所发出的红光聚焦成可以描绘近红外激光光斑图形轮廓的红光光斑。
附图说明
图1为双路近红外集成医疗光源基板封装结构示意图。
图2为垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列光路示意图。
图3为三透镜组合双路近红外激光集成医疗光源***结构示意图。
图4为三透镜组合双路近红外激光集成医疗光源***光路示意图。
图5为双透镜组合双路近红外激光集成医疗光源***结构示意图。
图6为双透镜组合双路近红外激光集成医疗光源***光路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做具体说明。
实施例1
实施例1的集成垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列封装结构如图1所示。
该设施例涉及一种用于康复医疗设备的双路近红外集成医疗光源***。
该双路近红外激光集成医疗光源包括以下部件：封装基板1、垂直腔面发射近红外激光器芯片(阵列)10、红光LED芯片9、双路基板电极5和6、基板定位孔2；封装基板1其主体材质为主体材质是紫铜，与普通的LED(light emitting diode)封装基板类似。基板上的发光区域4(用于安置垂直腔面发射近红外激光器集成芯片阵列)为正方形，边长为22mm。
基板上垂直腔面发射近红外激光器芯片10的发光波长为940nm，激光芯片阵列呈长方形排列，边长为12mm*15mm。为了显示光斑形状，在长方形四角上安置发光波长为680nm的4颗红光LED芯片9，集成芯片阵列中芯片总数量为30颗，呈5X6方式排列，其中包含26颗940nm垂直腔面发射近红外激光器芯片10和4颗680nm红光LED芯片9。如委托银亮科技加工发光芯片。
垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列中芯片按每组13颗分为2组，每一组内13颗垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列中芯片之间串联，然后将两组垂直腔面发射近红外激光器芯片再并联，通过近红外芯片用的辅助电极8连接到基板上预留的正负极6。单颗垂直腔面发射近红外激光器芯片与基板间设置有金垫片，金垫片用于与芯片底电极接触，并引出底电极，方便焊接。此外，金垫片还起导热的作用，使得将垂直腔面发射近红外激光器芯片工作时产生的热量传导给铜基板。
4颗红光LED芯片9间通过辅助电极7实现串联，然后再连接到基板上预留的正负极5。
单颗940nm垂直腔面发射激光器芯片10的额定工作电压为1.9V，额定电流为200mA，发光功率为355mW。
单颗680nm红光LED芯片的额定工作电压为1.9V，电流为700mA。
集成芯片总的工作电流为700mA，电压为25V。
实施例1的双近红外激光集成医疗光源***结构示意图如图3所示。
该光源***包括散热器、冷却散热器用风扇、镜头筒及镜头组。
散热器的材质为金属铝，也可以为铜，或高导热陶瓷。
在散热器上安装风扇是为了给铝制散热器强制散热。
封装有集成垂直腔面发射近红外激光器芯片10和红光LED芯片9的基板通过固定通孔用螺丝与散热器固定，基板与散热器间涂有导热胶。
镜头筒为圆柱形中空结构，长度为61mm，直径60mm，壁厚1.5mm，底部通过螺丝与散热器固定连接。镜头筒内部设置有镜头组，包含镜头1、镜头2和镜头3。
镜头均为为非球面光学玻璃镜头，也可以是石英镜头，或者是亚克力材质的镜头。
实施例1的三透镜组合双路近红外(即红光+红外)激光集成医疗光源***光路示意图如图4所示。
透镜组焦距f＝55cm，透镜1离芯片的距离X1＝25mm，透镜组总长X2＝46.8mm，成像距离X3＝133mm。
为集成芯片光源***提供额定的双路工作电流，在离出光口15cm处可以获得4个略微模糊的稍微放大的红色斑点，连接4个红色斑点成一规则的长方形，长方形区域内测得的光功率为158.5mW/cm2。
实施例2
图5是实施例2的双路近红外激光集成医疗光源***结构示意图。
该实施例与实施例1的区别在于，用于红光LED光线聚焦的透镜组采用2个透镜的组合。
镜头筒为圆柱形中空结构，长度为61mm，直径60mm，壁厚1.5mm，底部通过螺丝与散热器固定连接。镜头筒内部设置有镜头组，包含镜头1和镜头2；
镜头1和2为非球面光学玻璃镜头，也可以是石英镜头，或者是亚克力材质的镜头。
实施例2的双透镜组合双路近红外激光集成医疗光源***结构示意图如图6所示。
透镜组焦距f＝55cm，透镜1离芯片的距离X1＝30mm，透镜组总长X2＝58.5mm，成像距离X3＝146mm。
为集成芯片光源***提供额定的双路工作电流，在离出光口15cm处可以获得4个比实施例1中更清晰的红色斑点，连接4个红色斑点成一规则的长方形，长方形区域内测得的光功率为163.5mW/cm2。
R为患者受照部位、其直径为D1，11、12、13分别为第一、第二、第三镜头；镜头筒14；集成光源单元15；散热器16、散热风扇17。
Claims (10)
1.一种双路近红外集成医疗光源，其特征是，包括封装基板、垂直腔面发射近红外激光器芯片组、红光LED芯片组、双路基板电极、基板定位孔、透镜组；所述封装基板的主体材质为高导热陶瓷材料、铝板或铜板；封装基板上覆盖有高强度导热绝缘薄膜材料，在绝缘导热薄膜上制备有近红外激光器芯片组、红光LED芯片组双路芯片电气连接电路，电路上覆盖有高强度绝缘薄膜；在基板上部覆盖的导热绝缘薄膜上预留双路连接电路的正负电极区域；基板的中心区域且覆盖导热绝缘薄膜材料的表面为垂直腔面发射近红外激光器芯片和红光LED芯片的放置区域；垂直腔面发射近红外激光器芯片组、红光LED芯片组上方的透镜组将基板上封装的垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列和红光LED芯片的发光图像成像在离光源***出光口前方15±10cm。
2.根据权利要求1所述集成医疗光源，其特征是，所述每只垂直腔面发射近红外激光器芯片包括如下三部分：上分布布拉格反射镜(P-DBR)、有源区和下分布布拉格反射镜(N-DBR)；有源区材料体系为GaInAs/GaAs材料；垂直腔面发射近红外激光器芯片的出光方式采用顶出射方式，且出射的激光束呈圆形光斑，其光束外沿与芯片的中垂线成约12±3°角，芯片所发出光线的中心波长约940nm；单颗垂直腔面发射近红外激光器芯片的光功率范围为0.01-1W。
3.根据权利要求1和2所述集成医疗光源，其特征是，红光LED芯片选择波长范围在440nm-810nm的其他可见光或近红外芯片，其设置目的是为工作激光指示照射目标，单颗红光LED芯片的功率在0.1-1W。
4.根据权利要求1和2所述集成医疗光源，其特征是，封装基板中垂直腔面发射近红外激光器芯片组和红光LED芯片组分别具有独立的芯片间电气连接电路，且在芯片发光区域的***边缘为两组芯片设置了独立的辅助连接电极组，分别为垂直腔面发射近红外激光器芯片组及红光LED芯片组提供辅助电路连接，最终分别与基板上预留的双路连接电路的正负电极区域连接，外部电源给垂直腔面发射近红外激光器芯片及红光LED芯片两组芯片电路分别供电。
5.根据权利要求1、2所述的集成医疗光源，其特征是，封装基板中心区域为垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列和红光LED芯片的放置区域称为发光区域；垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列中，各芯片间串联、并联或混连，以获得满足外部供电电源的额定电压和电流；芯片组为垂直腔面发射近红外激光器芯片，按设计的阵列图形固定在基板中央的芯片安置区域；芯片阵列的外形轮廓为正方形、长方形或类圆形或其它任意形状。
6.根据权利要求1、2所述的集成医疗光源，其特征是，其中透镜组采用1-3个凸透镜的组合，将垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列及红光LED芯片的图形放大到前方指定的场点，并使得该光源***照射到光源前方15cm处人体指定区域的激光功率密度小于200mW/cm2。
7.根据权利要求6所述的集成医疗光源，其特征是，采用3个凸透镜的组合将垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列含红光LED芯片的图形清晰地成像在前方指定的场点；或经过透镜后在前方指定场点能分辨红光光斑。
8.权利要求1-7所述垂直腔面发射近红外激光器芯片和红光LED芯片的制备方法，其特征是，封装采用如下步骤：
固晶，将垂直腔面发射近红外激光器芯片按设计的阵列图形固定在基板中央的芯片安置区域；芯片阵列的外形轮廓可以为正方形、或长方形、或类圆形，或其它任意形状；
为了将底电极引出，在封装芯片时使用同时具有良好导热及导电性的金属垫片作为垂直腔面发射近红外激光器芯片及基板间的中间接触；金属垫片优选金片或铝片；将红光LED芯片安置在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列所设计图形的预设位置，使得经过前方的透镜组聚焦后在光源出光口前方15cm处红光光斑能大致形成一个垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列图案轮廓；
焊线，垂直腔面发射近红外激光器芯片组中各芯片之间以串联、并联或混联的方式实现电气连接；利用金线或铝线将垂直腔面发射近红外激光器芯片之间实现电气连接，借助基板发光区域***边缘的辅助电极最终实现与基板上的预留电极连接；红光LED芯片组中各芯片之间的连接可以是串联，或者是并联，或者混连；利用金线或铝线将红光LED芯片组中各芯片之间实现电气连接，借助基板发光区域***边缘的辅助电极最终实现与基板上的预留电极连接；
注胶，往基板的芯片安置区域注入胶水；胶水为硅胶胶水；
烘烤，将注过胶的上述基板放置在烘箱中，使胶水固化；
根据上述集成垂直腔面发射近红外激光器芯片中单颗芯片的电学参数、芯片数量及电气连接方式，计算出集成芯片的额定工作电压及工作电流；
通过基板上集成垂直腔面发射近红外激光器芯片的正负电极及红光LED芯片的正负电极分别连接特定的外部直流电源，集成芯片发出特定波长的近红外光线，以及用于瞄准的红光光线。
9.根据权利要求8所述垂直腔面发射近红外激光器芯片和红光LED芯片的制备方法，其特征是，在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列连接电路的正负电极间施加合适的电压、通过合适的电流，垂直腔面发射近红外激光器芯片从上表面出射光斑为圆形的激光束，激光束的圆形光斑的外沿与芯片的中垂线成约12°角；在红光LED芯片连接电路的正负电极间施加合适的电压、通过合适的电流，红光LED芯片发出红色的弥散光线。
10.根据权利要求8所述双路近红外集成医疗光源的制备方法，其特征是，其中垂直腔面发射近红外激光器芯片在基板的芯片发光区域放置成正方形轮廓、或长方形轮廓、或类圆形轮廓、或任意平面图形；红光LED芯片在基板发光区域的位置与垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列的图案形状关联；红光LED芯片设置在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列图案的***；在垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列出射光的前方设置一聚光透镜组，将红光LED芯片发出的弥散光线在前方人体需要治疗的部位聚焦成小的红色光斑，以调整并瞄准治疗区域；红光LED芯片的放置位置及数量以红光LED芯片发出的红光经透镜成像后形成的红光光斑可以大致勾画出垂直腔面发射近红外激光器芯片阵列图案轮廓为宜。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115475260A (zh) * | 2022-09-26 | 2022-12-16 | 深圳市隆兴达科技有限公司 | 一种基于杀菌设备用红色激光范围指示模组 |
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2021
- 2021-09-23 CN CN202111111414.8A patent/CN113908446A/zh active Pending
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