可调式红蓝光LED光动力治疗仪光源系统设计研究

摘要

随着半导体技术的发展,高性能LED产品的应用领域也逐渐拓展到各行各业。其中,全波段LED应用于生物医学领域就是最热门的研究课题之一,特别是以LED作为光源的光动力光疗法,是目前皮肤科光疗领域较为新颖的治疗手段,成为该领域新的研究热点。该方法结合LED绿色、环保、低工作电压、寿命长以及冷光源的特点,能够较好的实现高效、安全、无副作用的光医疗。而现阶段LED存在着功率小、出光效率较低的缺点,要实现医疗应用,需要将LED芯片进行阵列组装,所以合理有效的光学设计对提升LED医疗产品的应用具有重要意义。本论文在非成像光学理论的基础上,重点研究LED光学系统的二次光学设计,结合相应的驱动电源设计,实现LED光动力治疗仪实体模型的制备,达到满足治疗人体脸部皮肤科疾病的基本要求。本课题研究的主要内容及其成果如下:
　　首先,本论文研究了LED点光源的二次光学设计。根据点光源在平面照射面上照度均匀的要求,研究设计出了相应的光源透镜。并结合光学软件Tracepro对其空间光强分布及照度分布进行了分析,通过反馈优化设计得到光强、照度以及照度均匀性均满足设计要求的LED点光源模型。
　　其次,研究分析了现有光动力治疗仪的光学设计,并制备相应实体模型,分析其在光疗中存在的问题。创新性地提出了自由曲面光学设计方案来模拟自由曲面光源模型,并经过多次反馈光源模型设计,实现了脸部皮肤光疗中照射剂量达到3.3J/cm2及照度均匀度达到80％的设计要求。
　　最后,对光治疗仪的电路设计进行了研究。针对630nm红光LED和415nm蓝光LED的输出功率和工作条件不同,以及光疗对仪器的功率、模式(连续或脉冲)以及时间可调功能的设计要求,研究采用离线式buck电路,实现双路可调可控。通过优化的平板模型的散热结构,降低了系统工作温度。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 LED在医疗领域的应用

1.3 LED光源的在医学领域优势及其国内外发展现状

1.4 课题研究意义及主要研究内容

2 基于光疗的LED技术及其驱动电路基础

2.1 LED光学理论基础

2.2 LED驱动电源设计

2.3 本章小结

3 LED光学系统设计理论基础研究

3.1 非成像光学理论

3.2 计算机辅助光学系统设计研究

3.3 LED照明光源系统的设计步骤

3.4 本章小结

4 LED光动力治疗仪光源系统设计及其仿真研究

4.1 基于LED点光源的二次光学设计

4.2 基于LED平面阵列的二次光学设计及其应用分析

4.3 基于LED自由曲面阵列的二次光学设计

4.4 本章小结

5 光疗仪智能LED驱动电路设计及系统散热研究

5.1 光疗仪智能LED驱动电路设计

5.2 LED光源系统散热研究

5.3 本章小结

6 总结和展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文目录

附录2 LED驱动电路程序