專利名稱：光場(chǎng)均勻且邊界輪廓分明的基于發(fā)光二極管的光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于發(fā)光二極管(LED)的光源和使用這種光源的系統(tǒng)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種基于發(fā)光二極管的光源，以及使用這種光源的系統(tǒng)或設(shè)備，該光源提供具有輪廓分明、高對(duì)比度的邊界的均勻光場(chǎng)。
背景技術(shù)：
對(duì)于能提供邊界輪廓分明的均勻光場(chǎng)的光源具有廣泛的需求。例如，這樣的光源可用于汽車或?qū)嶒?yàn)室設(shè)備的應(yīng)用之中，或者用于任何其它的需要具有邊界輪廓分明的均勻光場(chǎng)的應(yīng)用之中。另一個(gè)例子是，這些光源可用在各種醫(yī)療系統(tǒng)中，如那些產(chǎn)生或使用不可見的電磁輻射或粒子束的系統(tǒng)中。
如今，使用不可見的電磁輻射或粒子束的醫(yī)療系統(tǒng)已廣泛地用在診斷和治療之中。通常，必須相對(duì)于輻射裝置把病人放在明確規(guī)定的位置上，并接收明確界定的輻射，以便在治療和診斷時(shí)，確保使照在病人身體其它部位上的不需要的輻射最小化。通過(guò)模擬輻射束幾何圖形的可見光源來(lái)使置于輻射源下的病人變得明顯。
尤其是在使用X射線的醫(yī)療系統(tǒng)中，稱為準(zhǔn)直儀的器件通過(guò)X射線吸收材料的活動(dòng)葉片將X線束限定成圓錐形。這樣的準(zhǔn)直儀包括可見光源，以便可見地指明X射線束相對(duì)于病人的位置，從而將X射線投射在病人的適當(dāng)?shù)脑\斷區(qū)或治療區(qū)上。為了在與準(zhǔn)直儀的所有距離上都能準(zhǔn)確地表現(xiàn)曝光區(qū)，光線必須與X射線重合。由于光源和X射線源是不同的實(shí)體，其在物理上是不能重合的，因此，將光源放在X線束的旁邊，并且使其與靶的距離與X射線源與靶的距離相同。
對(duì)X射線高度透射的光學(xué)鏡面以X射線束軸為中心，并且與光源和X射線源的距離相同。該鏡面傾斜一定的角度，以便反射光束使其與X線重合。要實(shí)現(xiàn)光束與X線束的彼此重疊必須準(zhǔn)確地調(diào)準(zhǔn)光源和鏡面角度。此外，還有另外幾個(gè)與光源相關(guān)的要求。這就是光源必須是廉價(jià)的、高亮度的、具有輪廓分明的光場(chǎng)邊界(好的對(duì)比度)以及使用壽命長(zhǎng)。
在醫(yī)療系統(tǒng)中，大多數(shù)的X射線準(zhǔn)直儀和其它的光源都使用低壓鹵素投影燈(例如12伏、150瓦)作為定位光。由于這些燈具有小的燈絲尺寸，所以能提供足夠的光輸出和令人滿意的邊界對(duì)比度。然而，由于在光輸出和燈絲壽命之間固有的折衷關(guān)系，鹵素投影燈的額定壽命短，一般地說(shuō)，只有幾百個(gè)小時(shí)。這在準(zhǔn)直儀應(yīng)用中表現(xiàn)為缺點(diǎn)，其中燈具更換涉及燈具精確的光學(xué)調(diào)準(zhǔn)，并且需要由熟練的維修工程師或技師來(lái)完成這個(gè)任務(wù)。在頻繁更換燈具的情況下，這就會(huì)導(dǎo)致不定期的停工時(shí)間和計(jì)劃之外的人工成本。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一個(gè)方面中，提出了一種LED發(fā)光器件，包括LED，用于產(chǎn)生光束；以及反射面，用于聚集光束以便得到明亮的照明、均勻的光場(chǎng)和清晰的邊界對(duì)比度。
作為一個(gè)例子，在本發(fā)明的第二個(gè)方面中，LED發(fā)光器件可以用在X射線準(zhǔn)直儀中，以使得病人和X射線機(jī)彼此之間的相對(duì)定位變得容易，從而能夠沿著規(guī)定的軸來(lái)引導(dǎo)來(lái)自X射線機(jī)的X射線束，并將其投射到病人的一個(gè)特定靶區(qū)上。準(zhǔn)直儀的光源包括至少一個(gè)高能LED陣列，一個(gè)聚光器和鏡面。光束在光束錐面內(nèi)從LED陣列上發(fā)出，該光束錐面的角度是由光學(xué)連接器的反射面來(lái)確定的。
最好，LED光源的額定壽命比準(zhǔn)直儀使用壽命(例如50,000小時(shí))更長(zhǎng)，在距離光源100cm之處的強(qiáng)度大于200勒克司(1ux)，而且能將此LED光源裝配在2mm乘2mm的區(qū)域之中。此外，在優(yōu)選實(shí)施例中，從LED光源發(fā)出光束以大于45度的光束錐角向外擴(kuò)展，并且聚光器將光束錐角聚焦在約為35度到40度的范圍內(nèi)。該實(shí)施例最好包括吸收X射線的光闌，它位于從光源到圖像接收器之間的距離的1/5處，以便得到好的光場(chǎng)邊界對(duì)比度。
本發(fā)明可有效地用于開發(fā)光輸出和邊界對(duì)比度與150瓦的鹵光燈相似的照明器件，并且這種照明器件同時(shí)具有長(zhǎng)得多的使用壽命并使用小得多的功率。使用埋置在例如醫(yī)用準(zhǔn)直儀之中的額定壽命長(zhǎng)于系統(tǒng)使用壽命的定位燈具有相當(dāng)大的吸引力。由于能夠就地更換燈具，因而免除了系統(tǒng)的停工時(shí)間和相關(guān)的人工成本。此外，通過(guò)取消了對(duì)容易的燈具接近和調(diào)整的規(guī)定，也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)(準(zhǔn)直儀)的機(jī)械設(shè)計(jì)。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的LED發(fā)光器件。
圖2示出了由圖1的發(fā)光器件照亮的區(qū)域。
圖3示出了由圖1的發(fā)光器件照亮的區(qū)域上的照明強(qiáng)度。
圖4圖解了由圖1的LED發(fā)光器件照亮的區(qū)域的邊界。
圖5示出了可用在圖1的發(fā)光器件中的LED陣列。
圖6示出了包含圖5陣列的LED器件。
圖7圖解了圖5的LED陣列的輸出光譜，作為強(qiáng)度與波長(zhǎng)的函數(shù)。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的替換LED發(fā)光器件。
圖9、10和11分別與圖2、3和4相對(duì)應(yīng)，示出了從圖8的LED發(fā)光器件輸出的照明。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)LED光源。
圖13、14和15分別與圖2、3和4相對(duì)應(yīng)，示出了從圖12的LED發(fā)光器件輸出的照明。
圖16概略地示出了根據(jù)本發(fā)明的具有準(zhǔn)直儀的X射線系統(tǒng)。
圖17是采用本發(fā)明的X射線準(zhǔn)直儀的示意圖，用在圖16的X射線系統(tǒng)中。
圖18示出了替換LED發(fā)光組件。
附圖標(biāo)記說(shuō)明100 發(fā)光器件 178 照明區(qū)102 LED180 照明強(qiáng)度曲線圖104 光闌 182 照明區(qū)邊緣106 拋物線形聚光器 200 X射線機(jī)110 照明區(qū) 202 光源112 照明強(qiáng)度圖譜 204 準(zhǔn)直儀114 照明區(qū)的邊緣 206 病人120 LED陣列210 X射線源122 LED模塊212 X射線束124 曲線圖 214 軸150 發(fā)光器件 216 X射線束的焦點(diǎn)
152 LED 220 治療區(qū)154 CPC 234 鉛片156 透鏡240 準(zhǔn)直儀158 照明區(qū) 242 LED160 照明強(qiáng)度圖譜260 LED發(fā)光組件162 照明區(qū)的邊緣262 LED陣列164 照度曲線圖 264 透鏡170 發(fā)光器件266 光束172 LED 270 虛LED源174 橢圓錐面具體實(shí)施方式
本發(fā)明的第一個(gè)方面提出了具有明亮照度、均勻光場(chǎng)和清晰邊界對(duì)比度的光源。為了使與光源相距給定距離的光闌(diaphragm)具有清晰的邊界對(duì)比度，光源的尺寸應(yīng)當(dāng)是很小的。
有各種光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)將LED光束限制在期望的圓錐角之中。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)發(fā)光器件100。器件100包括用于產(chǎn)生光束的LED 102；以及用于聚集光束以便有明亮照度、均勻光場(chǎng)和清晰邊界對(duì)比度的光闌104。就器件100 而言，光闌104是復(fù)合拋物線聚光器(CPC)的形式，并且CPC 104直接位于模片(die)102的上方。聚光器(contractor)的左右兩端都有圓形開口，左端開口的半徑(R1)為1.5mm，右端開口的半徑(R2)為4.5mm。聚光器的長(zhǎng)度(L)為15mm，從聚光器發(fā)出的光的圓錐角(角)(FWHM)為17.7度。此外，平均照明效率為35.9％，每個(gè)象限(quadrant)中心處的照度為182.2勒克司，最小照度為136勒克司，最大照度為195勒克司。
圖2示出了來(lái)自LED模片102并由集成PCP錐面104聚焦在靶上的照明圖案。如圖譜112所示，光場(chǎng)110是均勻的，使得最低照度和最高照度之比約為62％。該錐面有直徑7mm的出射光孔。從LED模片到相距1米遠(yuǎn)0.5米×0.5米的靶子上的照明效率大于35％。圖3和圖4示出了器件100所實(shí)現(xiàn)的清晰的邊界對(duì)比度。對(duì)器件100而言，其平均邊界對(duì)比度(中心線下面3mm和中心線上面3mm)為1.5，沿邊界114從10％變化到90％的范圍為30mm，邊界斜率116為4.79勒克司/mm。圖5描繪出了適用于器件100的LED陣列120，它是由在單塊襯底上的四個(gè)1mm2的LED構(gòu)成的。圖6示出了在具有集成透鏡的組件122中的LED陣列120。這個(gè)5瓦特輸入的組件的光通量為120流明(1m)，光束角度為120度FWHM。圖7示出了LED陣列120的可見光譜輸出124。
圖8示出了另一個(gè)替換LED發(fā)光器件150，包括LED 152和反射器(CPC)154，圖9-11示出了器件150的照明強(qiáng)度輸出。LED模片152封裝在集成透鏡156之中，它在市場(chǎng)上是可以買到的。然而，由此封裝照明的光場(chǎng)可能太低而不能用在當(dāng)今的醫(yī)療和其它應(yīng)用之中。因此，將CPC錐面154設(shè)計(jì)在LED集成透鏡封裝的頂部，以便聚焦光束。CPC錐面外部的出射孔口大約為15mm。圖9示出了由器件150照明的區(qū)域156，圖譜160示出了橫貫此區(qū)域的照明強(qiáng)度是如何變化的。就此實(shí)施例而言，CPC 154在模片封裝152的上方，R1＝3.2mm，R2＝7.5mm，角(Angle)＝15度，L＝10mm。此外，平均照明效率為37.2％，在每個(gè)象限中心的照度為187勒克司(lux)，最低照度為108勒克司，最高照度為203勒克司。就實(shí)施例150而言，平均邊界對(duì)比度(中心線下面3mm和中心線上面3mm)為1.458，沿邊界162從10％變化到90％的范圍為38mm，邊界梯度164為4.17勒克司/mm。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的第三種設(shè)計(jì)170，這種設(shè)計(jì)與第二種設(shè)計(jì)相似，只是TIR錐面174是橢圓形的。橢圓錐面外部的出射光孔也是15mm。與前面的兩個(gè)設(shè)計(jì)104和154相比，錐面174有更好的邊界對(duì)比度。圖13-15示出了器件170的照明強(qiáng)度輸出。設(shè)計(jì)170與圖8的設(shè)計(jì)150相似，只是TIR錐面174是橢圓形的。圖13示出了由器件170照明的區(qū)域172，圖譜180示出橫貫此區(qū)域的照度是如何變化的。器件170包括LED 172和TIR錐面174。在此實(shí)施例中，光闌174是一個(gè)位于模片封裝172上方的橢圓錐面，R1＝3.2mm，R2＝7.5mm，L＝10mm。此外，平均照明效率為37.2％，在每個(gè)象限中心上的照度為169.14勒克司，最低照度為125.13勒克司，最高照度為194.68勒克司。就實(shí)施例170而言，其平均邊界對(duì)比度(中心線下面3mm和中心線上面3mm)為1.923，沿邊界182從10％變化到90％的范圍為19mm，邊界斜率184為7.713勒克司/mm。
作為如何將本發(fā)明用于醫(yī)療X射線系統(tǒng)中的一個(gè)例子，圖16概括性地示出了X射線機(jī)200，其中，在準(zhǔn)直儀204中有基于LED的光源202。將要檢查或治療的病人206放在機(jī)器200的旁邊；然后，X射線源210沿著軸214從焦點(diǎn)216向病人的治療區(qū)220上投射X射線束212。該輻射光束可以是電子輻射(例如，放射療法)也可以是光子輻射?？捎门_(tái)架(未示出)來(lái)支撐X射線機(jī)200，這個(gè)臺(tái)架可讓X射線機(jī)繞水平軸旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可讓X射線照射到病人身上的不同的區(qū)域上。
沿著軸214投射來(lái)自光源202的可見光束230，從而可以不干擾地調(diào)節(jié)此軸和沿著此軸投射的光束的尺寸。當(dāng)把系統(tǒng)200切換到操作模式時(shí)，就用放射線束212來(lái)代替可見光。鉛片234界定或準(zhǔn)直投射到治療區(qū)24上的光束230和X射線束212。
圖17示出了發(fā)光組件240，其是最好用在X射線系統(tǒng)200中的準(zhǔn)直儀204的部件，以提供用于設(shè)置X射線機(jī)200的可見光。通常，準(zhǔn)直儀204包括至少一個(gè)高功率LED陣列242；以及一個(gè)光聚集器244，用于將光束聚焦到期望的圓錐角中。此外，在優(yōu)選實(shí)施例中，LED陣列242的尺寸應(yīng)當(dāng)足夠地小，以便能安裝在面積小于2×2mm2的圓形的或方形的區(qū)域中。對(duì)于更一般的應(yīng)用而言，光闌不需要是X射線吸收材料；對(duì)于許多非X射線應(yīng)用而言，只要有光吸收性能就足夠了。
使用額定壽命長(zhǎng)于準(zhǔn)直儀的使用壽命的定向燈具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。由于能在現(xiàn)場(chǎng)更換燈具，減少了系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)間和相關(guān)的人工成本。而且，由于通過(guò)消除提供容易的燈具接近和調(diào)整的需要，因而也簡(jiǎn)化了準(zhǔn)直儀的機(jī)械設(shè)計(jì)。
圖18示出了可以作為準(zhǔn)直儀204的部件的替換LED發(fā)光組件260。通常，LED發(fā)光組件260包括至少一個(gè)具有窄的束角的高輸出的LED發(fā)光組件262以及一個(gè)或多個(gè)透鏡264。LED陣列提供光束266，最好，該光束在距離光源100cm處的亮度至少為200勒克司。最好，LED陣列262的尺寸應(yīng)當(dāng)足夠地小，以便能安裝在面積小于300mm2的圓形或方形的區(qū)域中。每個(gè)LED262都需要有窄的束角(小于15度的錐面)。使用光學(xué)透鏡264或透鏡組，將光束266擴(kuò)展到期望的錐角(35-45度)，用于照亮病人206的靶區(qū)220。準(zhǔn)直儀260的光學(xué)系統(tǒng)也有助于減少虛擬的LED光源270的尺寸，從而能在病人的靶區(qū)上產(chǎn)生好很多的邊界對(duì)比度。
盡管在此公開的本發(fā)明顯然是經(jīng)過(guò)精心計(jì)劃以達(dá)到上述目標(biāo)的，但是，應(yīng)當(dāng)明白，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)出許多修改方案和實(shí)施例，期望所附權(quán)利要求涵蓋了所有這樣的修改方案和實(shí)施例，而使其落入本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神和范圍中。
權(quán)利要求
1.一種LED發(fā)光器件(100，150，170)，包括用于產(chǎn)生光束的LED(102，152，172)；以及反射鏡(104，154，174)，用于聚集光束以便得到明亮的照度、均勻的光場(chǎng)和清晰的邊界對(duì)比度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的LED發(fā)光器件(100，150)，其中，將LED(102，152)封裝在復(fù)合拋物線聚光器(CPC)形錐面(106，154)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的LED發(fā)光器件(100，150)，其中，外部復(fù)合拋物線聚光器(CPC)形錐面(102，152)將來(lái)自LED的光線聚集到期望的錐角中。
4.一種基于LED的光源，位于X射線準(zhǔn)直儀(204)中，使得病人(206)和X射線機(jī)(200)彼此的相對(duì)定位變得容易，以便沿著規(guī)定的軸(214)引導(dǎo)來(lái)自X射線機(jī)的X射線束(212)，并使其投射到病人的特定靶區(qū)(220)上，該準(zhǔn)直儀(204)包括至少一個(gè)高能LED陣列(242)，用于產(chǎn)生光束(230)，并沿著規(guī)定的軸(214)引導(dǎo)光束，其中，光束從LED陣列以束錐角向外擴(kuò)展；具有反射面的聚光器(104，154，174)，其中，光束從LED陣列以由聚光器的反射面限定的束錐角向外發(fā)送。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的準(zhǔn)直儀(204)，其中，光束從LED陣列(242)向外發(fā)射。
6.一種X射線機(jī)(200)和病人(206)彼此相對(duì)定位的方法，該方法包括如下步驟為X射線機(jī)(200)提供LED陣列(262)，以便產(chǎn)生光束(266)，并沿給定的軸引導(dǎo)光束，其中，光束從LED陣列(242)以束錐角向外擴(kuò)展。在光束路徑中為透鏡(264)定位，以便向外擴(kuò)展束錐角；在病人(206)和X射線機(jī)(200)彼此間進(jìn)行相對(duì)定位，使得光束入射在病人身上規(guī)定的靶區(qū)(220)中；以及使用X射線機(jī)(200)來(lái)產(chǎn)生X射線束(212)，并將X射線束引導(dǎo)到所述給定軸(216)上和病人(206)的規(guī)定靶區(qū)(220)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中光束(266)從LED陣列(262)以10-15度之間的束錐角向外擴(kuò)展；并且透鏡(264)將該束錐角擴(kuò)展到大約為35度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中光束(266)從LED陣列(262)以基本上15度的束錐角向外擴(kuò)展；并且透鏡(264)將該束錐角擴(kuò)展到大約為35度。
9.一種X射線機(jī)，包括射束發(fā)生器(201)，用于產(chǎn)生X射線束(212)，并沿給定的軸(214)引導(dǎo)該X射線束；準(zhǔn)直儀(204)，用于使病人(206)和X射線機(jī)(200)彼此之間的相對(duì)定位變得容易，以便將來(lái)自X射線機(jī)的X射線束引導(dǎo)到病人身上的規(guī)定靶區(qū)(220)中，該準(zhǔn)直儀(204)包括1)至少一個(gè)高能LED陣列(262)，用于產(chǎn)生光束，并沿給定的軸引導(dǎo)光束，其中，該光束從LED陣列(262)以束錐角向外擴(kuò)展，2)至少一個(gè)透鏡(172)，放置在所述的光束路徑上，以便擴(kuò)展束錐角。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的X射線機(jī)(200)，其中光束從LED陣列(262)以10-15度之間的束錐角向外擴(kuò)展；并且透鏡(172)將束錐角擴(kuò)展到基本上35度。
全文摘要
一種LED發(fā)光器件(100，150，170)，包括用于產(chǎn)生光束的LED(102，152，172)；以及反射鏡(104，154，174)，用于聚集該光束，以便產(chǎn)生明亮的照度、均勻的光場(chǎng)和清晰的邊界對(duì)比度。該LED發(fā)光器件可用在X射線準(zhǔn)直儀(204)中，以便使病人(206)和X射線機(jī)(200)彼此之間的相對(duì)定位變得容易，從而能夠沿給定的軸(214)引導(dǎo)X射線束(212)，并使其投射到病人(206)身上的特定靶區(qū)(220)。該準(zhǔn)直儀(204)包括至少一個(gè)高能LED陣列(202)，用于產(chǎn)生光束，并沿給定的軸(214)引導(dǎo)光束，其中，該光束從LED陣列以束錐角向外擴(kuò)展；以及具有反射面的聚光器(104，154，174)，其中，光束從LED陣列以由聚光器的反射面限定的束錐角向外發(fā)射。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1518139SQ20041000137
公開日2004年8月4日 申請(qǐng)日期2004年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月8日
發(fā)明者朱比薩·D·斯特瓦諾維克, 弗蘭克·J·J·米勒, 迪特馬·K·森德曼, 吳平凡, J J 米勒, K 森德曼, 朱比薩 D 斯特瓦諾維克 申請(qǐng)人:通用電氣公司