光学辐照装置的制作方法

专利名称：光学辐照装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学辐照装置，特别是一种适合用作一聚合化学光源的轻巧便携式辐照装置。
已经提出过，在一手持装置中使用一些发光二极管LED以产生一聚焦光束来固化牙医用料。一峰值波长为大约470纳米的兰光用来固化牙医聚合物，后者包含樟脑苯醌作为在一甲基丙烯酰酯聚合化过程之中的光触发剂。不过，在即使用集束的一组LED产生足够水平的照度以便在建议的时间内固化已知的牙医聚合物方面也会存在一种问题。在可供提供的照度一般低于300毫瓦/平方厘米的较低水平下，必须允许较长的固化时间，这样就降低了所施行的牙科治疗的效率。
本发明的目的是，提供一种采用LED的光学辐照装置，从而具有的好处是，轻巧、便携、坚固和使用寿命长，并且产生提高了的300毫瓦/平方厘米以上的照度水平。
按照本发明的第一方面，各LED集束在一辐照装置之中，方式是，在相邻的各LED上制成成形的一些小平面，使各LED比它们像当前所制作的那样另外带有一些通常的球形外表面能够更为紧密地相邻接。
按照第二方面，本发明在于一用于一光学辐照装置的带锥度的光导管，此光导管从其输入端到其输出端带有锥度并具有一最小直径的中间区域，其中制成一弯曲段。
按照第三方面，本发明在于一光学辐照装置，采用各LED并装有一热管以冷却各LED。
按照第四方面，本发明在于一热管，包括内和外壁，从热管的一端向另一端沿纵向伸展并在其间形成一环形空间，装放一种用以通过一种相变来吸收热量的材料，环形空间由各内壁划分成许多液流槽道，沿纵向伸展在所述各端之间，有些所述槽道适合于从热管的热端向冷端传导所述材料的液/汽相，而另一些槽道适合于从热管的冷端向热端返回所述液相。
按照第五方面，本发明在于一辐照装置，采用各LED和一带锥度的光导管以聚集由各LED发出的光线和将其发送成一输出光束，装置中两个或多个带锥度的光导管串联配置，以致接续的各导管从前面的各导管接收辐照，以及一组LED设置在每一导管的输入端处，每一接续的导管最好是围绕前面导管的输出端配置一圈LED。
本发明的第一方面意味着各LED占据较大的可供使用的空间，而一固定数量的LED可产生一较高的辐照强度。因而，较小数量的LED可以用以产生一所需的照度水平，这本身又会减少为驱动装置所需的能量以及由装置所生成的热量。其次，装置可以做得比较轻巧。以这种方式集束各LCD可能涉及每一LED的输出中有稍许减少，但比较有效的集束密度可造成照度方面的整体增大。一般，一中心LED可能具有一多边形的外表面，而一第一圈LED围绕它予以排列，各自带有一平整小平面以贴靠中心LED的一相应小平面并各自可能具有一对辐射状的贴靠第一圈中各相邻LED的侧向小平面。其次，一第二或更多圈的LED可以与第一圈同心地予以排列，各自带有彼此贴靠的各个相邻的平整侧向小平面并可能带有指向内里的各表面，贴靠着内圈各LED的各个指向外面的表面。另外，可以采用单独一圈或者两或多个同心圆圈的LED而不带一个中心LED。
本发明现在将参照所附各图通过范例予以说明，附图中

图1是通过包括一束六角形截面LED的、本发明一第一实施例的截面示意图；图2是通过包括内部一组LED和外部一圈LED的、本发明一第二实施例的截面示意图；图3是通过包括一束两圈LED的、本发明一第三实施例的截面示意图；图4是本发明一第四实施例的侧视立面示意图；图5是通过本发明一第五实施例的纵向剖面示意图；图6是通过本发明一第六实施例的纵向剖面示意图；图7是通过一束具有改进截面的光导纤维的截面示意图；图8是符合本发明另一实施例的一带锥度的光导管的侧视立面示意图；图9是通过符合本发明的一热管的截面示意图。
在一符合本发明的典型辐照装置中，许多LED一起集成一束以便把发出的光线引导成为一单独的光束。一束LED 43示于图4中的侧视图和图1至3中的平面视图中。每一LED包括一发光半导体Pn结(未画出)，封裹在一外部塑料封装之内，其外形示于各图之中。LED封装的各侧面的形状做成可允许各LED在其各底面上比较紧密地一起集成一束，借以增大在此束LED中占用对未占用空间的比例。各LED的端头基本上是球形的并可传送光线以构成光束。
在示于图1中的本发明的实施例中，LED的外部封装是六角形截面的，而各LED以如图所示的一种蜂窝状的方式集成一束，相邻各个小平面彼此贴靠。
在示于图2中的本发明的第二实施例中，一六角形截面的中心LED 21具有各个小平面，贴靠一第一圈LED之中六个LED 22的相邻小平面，此圈LED沿径向伸展的各个侧面小平面允许圈内相邻各LED彼此贴靠。一第二圈LED 23围绕第一圈LED配置，而这些LED 23具有沿径向伸展的各个侧面小平面，允许圈内的相邻各LED彼此贴靠。
在示于图3中的本发明的一第三实施例中，在一第一圈中的一九个LED31的内圈被包含在一LED 32的第二圈之内，而在两圈中的各LED的沿径向伸展的各个侧面小平面允许每一圈中的相邻各LED彼此贴靠。
图2的第二实施例和图3的第三实施例可以通过添加一或多个另外的同心LED圈来予以改进。同样，每一圈各LED的各个圈向小平面可以成形为贴靠相邻一圈各LED的类似地成形的各个周向小平面。
在又一实施例中，图2的中心一组LED 21、22可以代之以一蜂窝式一束中的同样数量的LED。再一实施例可以由示于图3中的单独一圈LED 31组成。将会理解，在所有三项图示的实施例中，各LED装在一基本上平直的平面上。
在改进一LED的通常外部塑料封装的光学球形时，必须注意尽可能多地保留封装的聚焦作用以使总照度最大。不过，由于现有LED的封装具有一带锥度的形状以助于它们在制作期间从模具中取出，可以围绕LED的较宽底面制成各侧面小平面以改变其截面而比如成为六角形的，但这些小平面朝向封装聚焦作用集中所在的封装端头对于封装的形状具有一种缩径作用。因而本发明可以采用现有的一些LED并以一种辅助制作工艺来改进它们的形状，比如利用一些夹具，或者本发明可以采用一些已经专门制作得带有所需要的外部封装形状以适应更好的集束的LED。
各LED的成形的各小平面可予以抛光以加强反射并协助减少任何光能损失。此外，一金属反射薄膜可以镀敷于成形的各小平面以进一步加强反射。
各LED也可以装有一微型透镜或微型透镜组以助于光束的准直性。
各LED的电气连接装置，称作引线座44，连接于相应的正和负电接线端或汇流母线42。最好是，这些接线端适于提供双重的散热功能以有助于除去由各LED 43生成的热量。因而，各接线端由一种良好的热导体，诸如铜来制成，并且位于相对于各LED和装置的各外部表面的最佳位置上。在一项最为适于图3的LED组的具体实施例，各接线端42采取两个同心圆圈的形式，每一圈摆放得邻近一圈LED 31或32的底面。最好是，负接线端是外面的一个，因为各LED的负引线座44一般要比正引线座44变热一些。
符合本发明的典型辐照装置还最好是装有一带锥度的光导管，一如图4中的导管41所示，以聚集由各LED发出的光线并作为一输出光束将其发送。已知在辐照装置中利用带有绝热的光学锥形管的光导以致当光线从光源传向输出端时存在光线全反射。不过，本发明的一项优点是，LED集束的较为紧凑的截面意味着光导管输入端处的直径可以小一点，并因而绝热锥形管的一较小角度(即光导管输入端直径对输出端直径的比值)可以形成在光导管之中，随之具有比较有效的辐照能量传输和增大的照度。这种改进，与一种通常的简单地在减小对照度的有利影响和增大对轻巧、发热和成本的不利影响的情况下随着不断增大直径而增大一束中LED的数量的作法相比，是最为明显的。
在示于图6的本发明的另一实施例中，两或多个绝热的带锥度光导管41串联配置，每一个带有相应的一束LED 43，但在它连接于下一个时，接续的各束则都是围绕一光导管的端部形成一圈。另外，接续的每一圈LED 43可以代之以只是一个或较少数量的LED。这种配置由于各束LED 43沿着装置的长度分组配置而使得装置的直径保持较小。
在图4的最佳实施例中，设置一单独的带锥度光导管41。如果需要，光导管可以沿着其长度是弯曲的，如图5所示，以引导输出光束适合某一特定应用，这是现有光导管的一种已知作法。光导管可以从浇铸的丙烯塑料加工并弯曲而成，或者可以用玻璃或其他透光材料制作出来。
另外一种光导管示于图8，光导管41中的弯曲段设置在其长度上的腰部46，此段在朝向其输出端重新扩宽到一较大直径之前缩减到一最小直径。通过在最小直径处形成弯曲段，由弯曲段造成的光导管的光线传输损失减小了，但输出光束的截面面积仍保持在所需的水平上。
熔合纤维束光导管具有的优点是，各个纤维具有较小的直径，以致它们可以弯过较小的半径而无弯过同样半径时与较大直径纤维相关联的较大损失。不过，通常的熔合纤维束的缺点是，具有一种集束分数损失，亦即，纤维的外部敷层上用了光线从半导体组射入其中的、光导管截面的很大比例，从而减少了可供从半导体光源传送的辐照量。因此，最好是，在示于图7中的本发明的一项实施例中，导管包括一些成形的纤维61，安放得彼此邻近并熔合在一起。这种结构的导管由美国亚利桑那州凤凰域的微石英科技公司(Microquartz Sciences Inc.ofPhoenix，Arizona，USA.)制作。这样，每一纤维的直径小于单独一均匀的导管柱，以致它们在绕着同样弯曲半径弯曲时允许较大的光线传送，但集束分数也大大地低于通常的纤维导管，导致在导管输入端处的一大于90％的芯部可供使用度。
在本发明的另一项实施例中，采用一种梯度折射的光学光导管。一梯度折射的光导管，在敷层和芯部之间没有突然的界面。相反，折射指数或是沿径向或是沿轴向改变。在一项实施例中，光导管的折射指数的梯度既沿径向也沿轴向改变，以致光能得以有利的运用。也可以采用一种利用阶梯式变化的指数的导管，折射指数具有同样的轴向和径向变化。这样，孔径数值可从导管的任一端处改变以达到所需的传送。
在本发明的其他一些实施例中，不是设置一单独的带锥度的光导管，每一LED或几组LED可以设置得以其自身光导管纤维装有一绝热光学锥形管，而这些纤维的各输出端可以聚集在一起而形成单独一输出光束。纤维的输入端可以以光学方式模制于邻近的LED或一组LED，以便有效的传送辐照。这样，各二极管可以间隔较宽以消散不想要的热量。在本发明的又一实施例中，每一LED可予以调节，以致其外部封装伸进装有一绝热光学锥形管的一纤维光导管中。在又一实施例中，各纤维的截面可予以修改，以致各纤维的一些成形表面配装在一起以减小填隙空间。这种结构的一项实施例可以如图7中所示。
按照本发明所用的光导管或几只光导管可以制有一外部金属包敷层以改进其性能。
将会理解，按照本发明的装置的照度可以通过改变输入能量、LED数量，或者通过改变光导管的绝热锥形管，而予以改变。
可以按照本发明另一特点通过如下安排来协助冷却LED束，即每一LED的电气接头在热力上连接于一或多个热管。通常的LED辐照装置一般包括一散热器以便把热量从各LED晶片传导开去。与热管相比，散热器在将热量从热源传导开方面比热管较慢，效率也较低。各发热管通过利用一种物质，诸如水，由来自热源的热使之蒸发，蒸汽以高速移动到热管的冷端部并冷凝下来迅速地把热量传导开去。各热管在它们这样迅速地传热的能力方面是极好的。
图5表明符合本发明的一种装置，装有一热管45作为装置的主体46中一单独的流明。各LED引线的较热者最好是安放得较近于LED束的热管45或外壳47，以致较热的引线热径较短。一热力接头48可以设置在各LED43与热管45端部之间。如果需要，可以采用辅助的强制冷却装置，比如密合于热管的一风扇49或珀尔帖装置50。此外，可以设置一散热器51。
由于各热管的较大冷却能力，它们可使各LED以产生更多辐照的方式受到激励，并因而可使得制作出一种更为有效的装置。
为了便携式应用，各LED由各电池52驱动，后者装在图5中装接于主体46的一手握把53之中。不过热管结构可如图9中所示予以修改以容放各电池。发热管由两根同心的热传导管筒55、56组成，在两管筒之间具有一带摺皱的填隙热传导构件57，外表上类似于一段卷成管筒的波纹纸板。它置放在两同心管筒之内。热管的各芯条58则可以安放在波纹纸板的各交替凹槽之中，而空着的各凹槽59则为形成在热管较热端部的蒸汽之迅速移动创造了条件。
通过以这种方式设计热管，各电池、各电容、超电容器或其他能源60可以位于热管的内壁55之内。
在某些实施例中，比如其中有大量LED者，除了热管45之外，可能需要一散热器51。一用于牙科治疗的LED辐照装置之间歇使用意味着在仔细设计的情况下可以省去散热器。如果需要冷却到室温以下，诸如在极端环境下可能是这种情况，一珀尔帖装置50可以添加于热管，尽管一珀尔帖将导致较大的能量消耗和较大的散热需求。
所用的LED的波长将取决于装置的用途。一发出蓝光的LED，具有大约470毫米的峰值波长，用以固化牙科聚合物，但一发出红光的LCD可以用于光动力理疗，比如癌症理疗。
各LED发出光线的波长可以通过以萤光材料掺入光导管由之构成的材料而予以改变。这一点可以用来加长发出光线的波长，以便适合具体应用。
LED在其结构、直径、照度和光线角散布模式方面的选择也是很重要的。从许多已知各LCD中最为可供采用的选择被确定为，具有3毫米的直径而不是5毫米的直径，以及30度的散布角而不是15或45度。Nichia是这种LED的厂家。
将会理解，在此所用的“发光二极管LED”一词也包括激光二极管。
在符合本发明的装置中的各LED可以在一脉冲式模态或调制式模态下工作以改变输出辐照强度而适合应用，而多束LED，诸如在图6的实施例之中，可以各自以一不同的模态生成。
用于符合本发明的装置各LED的能量可以是交流电力、电池电力、电容器、超级电容器、太阳能、发条式发电机或由操作者或助手的机械力予以供能的发电机。
在一项实施例中，一电容器或超级电容器可以用来向阵列供能，具有超出诸如电池这样的通常可重新充电电源的优点。电容器实际上可以在装置连接于一电源时在操作的一次或多次治疗循环之间瞬时重新充电。
装置的电源可以是可重新充电的，并可以设计得在以一种无绳电话手机的方式接合于一基底装置时使之自动地电接触于此基底装置的充电器。
权利要求
1.一种光学辐照装置，包括一组集束的发光二极管(LED)阵列，以致它们发出的辐照被引导成为一光束，其特征在于，每一LED制有多个小平面，以致相邻各LED的一些小平面在其全部长度上紧挨地彼此邻接。
2.按照权利要求1所述的一种装置，其相邻各LED的一些小平面基本上彼此平行地伸展。
3.按照权利要求1或2所述的一种装置，其中相邻各LED的一些小平面彼此贴靠。
4.按照前述各项权利要求中任何一项所述的装置，其中各LED排列成一圆圈，相邻各LED的一些侧面小平面彼此邻接。
5.按照权利要求4所述的一种装置，其中各LED排列成同心的圆圈，每一圆圈中相邻各LED的一些侧面小平面彼此邻接。
6.按照权利要求5所述的一种装置，其中相邻各圆圈中的各LED具有彼此邻接的沿径向方向的各小平面。
7.按照权利要求4至6中任何一项所述的一种装置，其中一单独的LED位于所述圆圈或最内的同心圆圈之内。
8.按照权利要求7所述的一种装置，其中所述单独的LED具有沿径向方向的一些小平面，它们邻接于所述圆圈或最内的同心圆圈之中的各LED的一些小平面。
9.按照前述各项权利要求中任何一项所述的一种装置，其中各LED截面是规则的多边形。
10.按照权利要求9所述的一种装置，其中各LED截面是六角形的。
11.按照前述各项权利要求中任何一项所述的一种装置，其中各LED的一些小平面是抛光的。
12.按照前述各项权利要求中任何一项所述的一种装置，其中各LED的一些小平面配置一反射敷层。
13.一种适合用在按照权利要求1至12中任何一项所述的一光学辐照装置之中的二极管。
14.按照前述各项权利要求中任何一项所述的一种装置，包括一光导管，用于从一束发光二极管聚集光线。
15.按照权利要求1至13中任何一项所述的一种装置，其中为集束中每一发光二极管设置一光导管。
16.按照前述各项权利要求中任何一项所述的一种装置，包括一光导管，用于从一束LED聚集光线，此光导管具有一从一部分到另一部分变化的折射率，以便控制光线。
17.按照前述各项权利要求中任何一项所述的一种装置，包括一光导管，由一些在集束在一起之前分别制成的纤维组成。
18.按照前述各项权利要求中任何一项所述的一种装置，包括一光导管，由集束在一起以致集束分数减小的一些成形的纤维组成。
19.一种辐照装置，采取各LED和一带锥度的光导管以聚集由各LED发出的光线并将其发送成一输出光束，其特征在于，两个或多个带锥度的光导管串联排列，以致接续的各导管从前面的各导管接收光线，以及一LED或一组LED设置在每一导管的输入端。
20.按照权利要求19所述的一种装置，其中每一接续的导管围绕前一导管的输出端配置一圈LED。
21.按照前述各项权利要求中任何一项所述的一种装置，其中热量由一热管从各LED除去。
22.按照权利要求21所述的一种装置，其中许多热管用以从各LED传送热量。
23.按照权利要求21或22所述的一种装置，其中使用一种环形热管，以致它可以装放储能装置。
24.按照前述各项权利要求中任何一项所述的一种装置，包括一珀尔帖装置以冷却各LED。
25.按照前述各项权利要求中任何一项所述的一种装置，具有一手枪式握柄以装放储能装置。
26.按照前述各项权利要求中任何一项所述的一种装置，包括一电容器或超级电容器以向装置供能。
27.一种光学辐照装置，包括许多LED和一热管以冷却各LED。
28.一种用于固化牙医材料的手持装置，包括一种前述各项权利要求中任何一项所述的光学辐照装置。
29.一种热管，包括内和外壁，从热管的一端向另一端沿纵向伸展并在其间形成一环形空间，装放一种用以通过一种相变来吸收热量的材料，环形空间由各内壁划分成许多液流槽道，沿纵向伸展在所述各端之间，有些所述槽道适合于从发热管的热端向冷端传导所述材料的液/汽相，而另一些槽道适合于从热管的冷端向热端返回所述液相。
30.一种用于一光学辐照装置的带锥度的光导管，此光导管从其输入端至其输出端带有锥度并具有一最小直径的中间区域，其中形成一弯曲段。
全文摘要
一种光学辐照装置,装有一束LED(11,43),排列得致使相邻各LED的一些成形的小平面一起凑紧以增大此束中各LED的集束密度。一光导管(41)可聚集各LED发出的光线。两个或多个光导管(41)和各束LED(43)可以串联配置以产生一单独的光束。设置一热管(45),以便把热量从各LED(43)传导开去。热管(56)可以是环形的而包含一内部储存空间,用于电池(60)或类似物。
文档编号A61N5/06GK1276917SQ9881030
公开日2000年12月13日 申请日期1998年9月25日 优先权日1997年9月25日
发明者罗宾·W·米尔斯, 克劳斯·D·詹特 申请人:布里斯托尔大学