医学内窥镜高性能LED冷光源研究

摘要

医用电子内窥镜已经成为当前应用非常广泛的一种医疗仪器，医生通过电子内窥镜不仅能观察人体内脏器官的组织形态、诊断病变情况，而且还可以将图像进行输出和存储。因人体内部为暗环境，电子内窥镜成像时需体外照明光源进行辅助照明，照明光通过光纤束导入体内。图像质量与照明光的显色性、色温及光照度密切相关。目前内窥镜的光源主要是气体放电光源，如氙灯等。虽然其输出光通量大、显色性好，但存在发热量大、寿命短、能耗高等问题。LED光源具有能耗低，寿命长等优势，随着技术的进步，LED光源的输出光通量和显色性也逐步提高。
　　 本文旨在研究采用LED作为发光元件的医用高性能白光光源，满足电子内窥镜对显色性、色温及光照度的要求。研究内容包括LED芯片的选型、光学机械系统设计、控制电路设计、实验系统搭建及测试等。根据性能需求，提出两种获得LED白光的方法:RGB三基色混合生成白光;高色温冷白光加红光混合生成低色温暖白光。针对这两种方案的不同特点，分别进行了理论计算、效果仿真和实际测试。主要工作包括以下方面:(1)采用OSRAM OSTAR SMT LE A/T/B/UW S2W全套LED芯片解决方案，具有高功率大光通量特点，并针对其通用的光学特性设计应用塑料非球面的准直镜组，提高准直效率。(2)应用二向色镜作为多路光混合为单路光的光学元件，并基于两片二向色镜组成的X-cube合光镜，设计了通用性强的混光系统结构，可以在一套系统中实现两种实验方案。(3)从显色指数的定义出发，根据LED光源的发光光谱，计算了两种方案中各自能够实现最大显色指数的光通量配比，并对其进行了仿真。实验系统搭建完毕之后，对其进行了实际测试。
　　 本课题研究设计的医用内窥镜白光LED照明系统达到国际先进水平，具有实际应用价值。应用冷白光加红光混合生成的高显色性暖白光，其一般显色指数Ra可以达到93.9，同时输出光通量达到上百流明，同时满足医用光源对高颜色还原性和大光通量的需求。

目录

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致谢

摘要

1．绪论

1．1 医用内窥镜发展概述

1．2 电子内窥镜照明系统简述

1．3 选题背景与现实意义

1．4 课题研究内容及论文结构

2．光源的性能评价

2．1 光源色温的评价方法

2．2 光源显色性评价方法——CRI

2．3 光源显色性的另一种评价方法——CQS

2．4 光源发光效率的评价方法

2．5 白光LED基本理论

2．6 本章小结

3．白光LED照明方案

3．1 三基色混光原理

3．2 RGB三基色混色方案

3．3 白光LED与红光LED混光方案

3．4 合光镜的选型

4．实验系统的结构设计与搭建

4．1 LED控制电路的选择和设计

4．2 准直镜筒光机设计

4．3 X-cube合光镜及混光机械结构设计

4．4 本章小结

5 高显色性白光光源实验

5．1 基础元件的光学性能测试

5．2 RGB三基色方案的计算、仿真与测试

5．3 白光LED加红光LED方案的计算、仿真与测试

5．4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

作者简历