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专利名称：一种高显色指数内窥镜激光光源系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210458277.3

专利申请（专利权）人：厦门大学
权利人地址：福建省厦门市思明南路422号

专利发明（设计）人：李淑星,解荣军,黄林辉

专利摘要：本发明涉及激光照明技术领域，具体涉及一种高显色指数内窥镜激光光源系统，激光器，用于发射激光；散热装置，安装于激光器上，用于激光器的散热；荧光转换器，设置于激光器的出光侧，用于吸收激光器发射出的激光并将其转化成荧光；透镜组，设置于荧光转换器的出光侧，用于对荧光及未转化的激光进行汇聚；本发明通过蓝色激光和荧光转换器的荧光混合获得的激光白色光源发光面积。矢，寿命长，色温适当、显色指数高。此低光学扩展量的激光白色光源和光纤耦合效率高，推动内窥镜插入部小型化发展。

主权利要求：
1.一种高显色指数内窥镜激光光源系统，其特征在于，包括：激光器，用于发射激光；
散热装置，安装于激光器上，用于激光器的散热；
荧光转换器，设置于激光器的出光侧，用于吸收激光器发射出的激光并将其转换成荧光；
透镜组，设置于荧光转换器的出光侧，用于对荧光及未转换的激光进行汇聚；
所述激光器发射出峰值波长位于440～460nm的蓝光激光，荧光转换器吸收蓝光激光并将其转换成峰值波长位于460～800nm的荧光；所述荧光转换器为透射式荧光转换器或反射式荧光转换器；
所述透射式荧光转换器为荧光薄膜复合透明导热基板，荧光薄膜复合透明导热基板选用如下两种组分中任意一种；
3+
1)荧光薄膜复合透明导热基板包含蓝宝石基板、玻璃、Y3(Al,Ga)5O12:Ce (YAGG)荧光
2+
粉和CaAlSiN3:Eu (CASN)荧光粉；其中，YAGG荧光粉和CASN荧光粉的质量比为6:1；在450nm蓝光激光激发下，荧光转换器上玻璃薄膜厚度为105μm，荧光粉和玻璃的质量比(PtG)从2:1到6:1时，获得色温2500～3700K，显色指数高于95的白光；荧光转换器上玻璃薄膜厚度为60μm，荧光粉和玻璃的质量比从3:1到6:1时，获得色温4000～5637K，显色指数高于90的白光；
2)荧光薄膜复合透明导热基板包含蓝宝石基板、玻璃、Al2O3、YAGG荧光粉和CASN荧光粉，其中YAGG荧光粉和CASN荧光粉的质量比为6:1，控制荧光粉和玻璃的质量比为1:1～3:
1；控制玻璃薄膜厚度为62～99μm；控制第二相Al2O3含量为0～40wt％；
所述反射式荧光转换器为荧光陶瓷复合荧光薄膜或多层荧光薄膜复合导热基板，其为
2+
双层或多层结构；其中，双层反射式荧光转换器包含高导热铝基板、无机胶、CaAlSiN3:Eu
3+
(CASN)荧光和Lu3Al5O12:Ce (LuAG)荧光；
所述CASN荧光粉与无机胶搅拌混合后涂于铝基板上，涂覆厚度为30μm，接着进行固化形成CASN荧光薄膜；其中CASN荧光粉与无机胶的质量比为1:2；
将LuAG荧光粉与无机胶搅拌混合后涂于CASN荧光粉薄膜上，涂覆厚度为30μm，接着进行固化形成LuAG荧光薄膜，其中LuAG荧光粉与无机胶的质量比为4:5。
2.根据权利要求1所述的一种高显色指数内窥镜激光光源系统，其特征在于，荧光转换器中荧光材料选用青色、绿色、黄色、橙色、红色荧光粉中至少两种，其中青色荧光粉主波长
470nm～500nm；绿色荧光粉主波长500nm～540nm；黄色荧光粉主波长540nm～570nm；橙色荧光粉主波长570nm～620nm；红色荧光粉主波长620nm～660nm。
3.根据权利要求1所述的一种高显色指数内窥镜激光光源系统，其特征在于，所述反射式荧光转换器的导热基板选用金属板、陶瓷板、单晶基板中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种高显色指数内窥镜激光光源系统，其特征在于，所述散热装置选用散热片、风冷散热装置、液冷散热装置中的任意一种或多种；所述透镜组为非球面透镜组。
5.根据权利要求1所述的一种高显色指数内窥镜激光光源系统，其特征在于，光源显色指数大于90且色温在3000K～7000K之间。 说明书 : 一种高显色指数内窥镜激光光源系统技术领域[0001] 本发明涉及激光照明技术领域，具体涉及一种高显色指数内窥镜激光光源系统。背景技术[0002] 针对内窥镜自发明以来，为医生对病患进行诊断和治疗提供了便利，已经成为医院外科、呼吸科、消化科、妇科等各科室必备的医疗器械。内窥镜常用的照明方式是通过光纤导光束将外置光源的光导入到人体内。内窥镜需要通过人体天然孔道或人造小创口进入人体进行观察，内窥镜小型化能减小手术创伤，小型化成为了内窥镜发展趋势。缩小导光光纤的束径，能推进内窥镜的小型化。但小束径光纤与光源耦合效率低，造成照明亮度不足和能源浪费的问题。因此需要低光学扩展量的光源与光纤进行高效率的耦合。同时，光源的色温、显色指数和决定观察图像的清晰性，影响医生对病患的诊断。[0003] 中华人民共和国医药行业标准YY?1081?2011要求内窥镜光源显色指数大于90、色温在3000～7000K之间。现在内窥镜光源为氙灯和LED，氙灯的显色性好，亮度高，但是它的寿命短；LED虽然寿命长，但它的亮度低、发光面积大。因此非常需要一个低光学扩展量、显色性好、色温合适、高亮度的光源来推进内窥镜小型化的发展。发明内容[0004] 为了解决上述问题，本发明提供了一种高显色指数内窥镜激光光源系统，将高显色指数激光白光光源应用于内窥镜，推进内窥镜向小型化发展。[0005] 为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：[0006] 一种高显色指数内窥镜激光光源系统，包括：[0007] 激光器，用于发射激光；[0008] 散热装置，安装于激光器上，用于激光器的散热；[0009] 荧光转换器，设置于激光器的出光侧，用于吸收激光器发射出的激光并将其转化成荧光；[0010] 透镜组，设置于荧光转换器的出光侧，用于对荧光及未转化的激光进行汇聚。[0011] 进一步的，所述激光器发射波长440nm～460nm的激光，荧光转换器吸收激光并将其转化成波长460nm～800nm的荧光。[0012] 进一步的，所述荧光转换器为透射式荧光转换器或反射式荧光转换器。[0013] 进一步的，所述透射式荧光转换器为荧光薄膜复合透明导热基板；所述反射式荧光转换器为荧光陶瓷复合荧光薄膜或多层荧光薄膜复合导热基板，其为双层或多层结构。[0014] 进一步的，所述荧光薄膜包括荧光材料与透明胶黏剂；所述透明胶黏剂选用无机胶、硅胶、玻璃粉中的任意一种。[0015] 进一步的，荧光转换器中荧光材料选用青色、绿色、黄色、橙色、红色荧光粉中至少两种，其中青色荧光粉主波长470nm～500nm；绿色荧光粉主波长500nm～540nm；黄色荧光粉主波长540nm～570nm；橙色荧光粉主波长570nm～620nm；红色荧光粉主波长620nm～660nm。[0016] 进一步的，所述荧光薄膜还包括第二相，所述第二相为气孔、Al2O3、SiO2、TiO2、BN中的至少一种。[0017] 进一步的，所述反射式荧光转换器的导热基板选用金属板、陶瓷板、单晶基板中的任意一种。[0018] 进一步的，所述散热装置选用散热片、风冷散热装置、液冷散热装置中的任意一种或多种；所述透镜组为非球面透镜组。[0019] 进一步的，光源显色指数大于90且色温在3000K～7000K之间。[0020] 本发明具有以下优点：[0021] 1)本发明通过蓝色激光和荧光转换器的荧光混合获得的激光白色光源发光面积。矢，寿命长，色温适当、显色指数高。此低光学扩展量的激光白色光源和光纤耦合效率高，推动内窥镜插入部小型化发展。内窥镜采用此激光白光光源，可以取得使用寿命长、观察效果好、功耗低、内窥镜插入部尺寸小的优点，激光白光光源可以成为现有氙灯光源或LED光源的上位替代。[0022] 2)本发明中，采用透射式或反射式荧光转换器。其中，透射式荧光转换器实现了在显色指数大于90的前提下的色温可调，可以满足不同使用环境时不同的色温要求。解决了高色温了下难以获得高显指的难题。而反射式结构中，发明了双层或多层结构，通过调控荧光材料间吸收效应，成功解决反射结构中光谱调节问题，获得高显指，适中色温的激光白光。其次，该结构中的陶瓷或散热基板，可以迅速传导热量，使荧光转换器维持在较低温度，保持高光效的同时减少色坐标漂移。附图说明[0023] 图1为高显色指数内窥镜激光光源系统的整体结构示意图；[0024] 图2为实施例1中高显色指数内窥镜激光光源系统的透射式荧光转换器的结构示意图；[0025] 图3为实施例2中透射式荧光转换器引入不同含量氧化铝对光斑温度和耐受激光饱和功率密度的影响示意图；[0026] 图4为实施例2中透射式荧光转换器引入不同含量氧化铝对显色指数的影响示意图；[0027] 图5为实施例3反射式荧光转换器双层结构式示意图；[0028] 图6为实施例4反射式荧光转换器双层结构式示意图。具体实施方式[0029] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0030] 参照附图1所示，本发明提供的高显色指数内窥镜激光光源系统，光源显色指数大于90且色温在3000K～7000K之间，其包括：[0031] 激光器1，用于发射440nm～460nm波长的激光；[0032] 散热装置3可选用散热片、风冷散热装置、液冷散热装置中的任意一种或多种，其安装于激光器1上，用于激光器的散热；[0033] 荧光转换器2，设置于激光器1的出光侧，用于吸收激光器1发射出的激光并将其转化成荧光；[0034] 透镜组4为非球面透镜组，其设置于荧光转换器2的出光侧，用于对荧光及未转化的激光进行汇聚。具体的，激光器1发射440nm～460nm波长的激光，射在荧光转换器2上，荧光转换器2转换出460nm～800nm的荧光，荧光与未转换的激光通过透镜组4混合并聚焦到一个小光斑。[0035] 上述荧光转换器为透射式荧光转换器或反射式荧光转换器。透射式荧光转换器为荧光薄膜复合透明导热基板；反射式荧光转换器为荧光陶瓷复合荧光薄膜或多层荧光薄膜复合导热基板(导热基板选用金属板、陶瓷板、单晶基板中的任意一种)，其为双层或多层结构。[0036] 荧光薄膜包括荧光材料与透明胶黏剂；透明胶黏剂选用无机胶、硅胶、玻璃粉中的任意一种。荧光薄膜中还可添加第二相；第二相为气孔、Al2O3、SiO2、TiO2、BN中的至少一种。[0037] 荧光转换器中荧光材料选用青色、绿色、黄色、橙色、红色荧光粉中至少两种，其中青色荧光粉主波长470nm～500nm；绿色荧光粉主波长500nm～540nm；黄色荧光粉主波长540nm～570nm；橙色荧光粉主波长570nm～620nm；红色荧光粉主波长620nm～660nm。[0038] 具体的，荧光转换器2中选用不同发射波长荧光粉(荧光粉：青色、绿色、黄色、橙色、红色荧光粉中至少两种)，将每种荧光粉分别烧结成荧光陶瓷或是将其与透明胶黏剂(透明胶黏剂：无机胶、硅胶、玻璃粉中的一种)混合制成荧光薄膜，将不同发射波长的荧光陶瓷或荧光薄膜粘结成复相材料。当此复相材料中不包含荧光陶瓷，则将此复相材料与导热基板(导热基板：金属板、陶瓷板、单晶基板)粘结成双层或多层结构的荧光转换器；当此复相材料中包含荧光陶瓷，可以选择直接将此复相材料作为荧光转换器2。[0039] 实施例1[0040] 本实施例中透射式荧光转换器，包含蓝宝石基板、玻璃、YAGG荧光粉和CASN荧光粉。其中YAGG荧光粉和CASN荧光粉的质量比为6:1，荧光粉和玻璃的质量比PtG分别为6:1、5:1、4:1、3:1、2:1。混合玻璃和荧光粉，将混合浆料刮涂在蓝宝石基板上，控制刮涂厚度分别为60μm、105μm，高温烧结，玻璃熔融包裹荧光粉，并形成玻璃薄膜粘结在蓝宝石基板上。[0041] 下表1为本实施例中透射式荧光转换器被450nm激光激发后获得白光的色温和显色指数。[0042] 表1[0043][0044] 在450nm激光激发下，荧光转换器上玻璃薄膜厚度为105μm，荧光粉和玻璃的质量比PtG从2:1到6:1时，获得色温2500K～3700K，显色指数95以上的白光。荧光转换器上玻璃薄膜厚度为60μm，荧光粉和玻璃的质量比PtG从3:1到6:1时，获得色温4000K～5637K，显指高于90的白光。[0045] 对比发现随薄膜厚度下降和荧光粉浓度降低，白光色温提高。但当玻璃薄膜厚度为60μm，PtG为2:1时，因为荧光转换率低，白光中蓝光强度较强，白光色温大于10000K，显指低于90。无法取得显指高于90，色温高于6000K的白光。[0046] 实施例2[0047] 为了取得色温高于6000K，显指大于90的白光，本实施例中透射式荧光转换器以引入第二相Al2O3为例子，包含蓝宝石基板、玻璃、Al2O3、YAGG荧光粉和CASN荧光粉。其中YAGG荧光粉和CASN荧光粉的质量比为6:1，控制荧光粉和玻璃的质量比(1:1≤PtG≤3:1)；控制玻璃薄膜厚度55μm?70μm；控制第二相Al2O3含量wt％(0[0048] 下表2为色温可调的高显指透射式荧光转换器被450nm激光激发后获得白光的色温和显色指数。[0049] 表2[0050][0051] 因为高色温的需求荧光强度较低，致使白光显指不高，所以对于透射式荧光转换器而言，高色温(CCT＞6000K)、高显指(Ra＞90)的白光难以获得。然而从实施例1?2的试验数据(参看表1?2)中可以看出，本发明采用透射式荧光转换器时，通过层状结构、组分及工艺的合理设置可实现高显指(Ra＞90)下的色温连续可调(2400K≤CCT≤6300K)。[0052] 实施例3[0053] 如图5，本实施例中荧光转换器，包含Lu3Al5O12:Ce3+(LuAG)荧光陶瓷211和2+CaAlSiN3:Eu (CASN)荧光薄膜212。将Lu2O3、Al2O3、CeO2粉末按化学计量比称重后，加入0.5％正硅酸乙酯作为烧结助剂，混合均匀并干燥，在20MPa下压成圆片后在250MPa下进行冷等静压处理。粉末压坯在103Pa下，1720?1780℃真空烧结5h，然后在空气环境中1450℃3+退火10h，得到Lu3Al5O12:Ce 荧光陶瓷211。[0054] 将CaAlSiN3:Eu2+荧光粉和无机胶搅拌混合获得均匀浆料，通过刮刀将浆料刮涂3+ 2+于Lu3Al5O12:Ce 荧光陶瓷211上，在真空烘箱中70℃下固化1h，得到CaAlSiN3:Eu 荧光薄3+膜212和Lu3Al5O12:Ce 荧光陶瓷211紧密粘结的复相材料，将此材料作为荧光转换器。[0055] 实施例4[0056] 如图6，本实施例中荧光转换器，包含高导热铝基板221和CaAlSiN3:Eu2+荧光薄膜3+ 2+222和Lu3Al5O12:Ce 荧光薄膜223。将CaAlSiN3:Eu 荧光粉(0.1g)，无机胶(0.2g)搅拌混合获得均匀浆料，通过刮刀将浆料刮涂于铝基板221上，刮涂厚度为30μm，在真空烘箱中70℃下1h固化完成。[0057] 将Lu3Al5O12:Ce3+荧光粉(0.16g)，无机胶(0.2g)搅拌混合获得均匀浆料，通过刮2+刀将浆料刮涂于CaAlSiN3:Eu 荧光薄膜222上，刮涂厚度为30μm，在真空烘箱中70℃下1h固化完成，得到双层反射式荧光转换器。[0058] 450nm蓝色激光激发下，荧光转换器发出的荧光与激光混合后，获得色温为5300K，显色指数为91的白光，极适合作为内窥镜光源。[0059] 表3为单层反射荧光转换器与实施例4中双层反射式荧光转换器色温和显色指数对比。[0060] 表3[0061][0062] 表3中单层荧光转换器1?5均包括高导热铝基板、荧光粉(0.26g)与无机胶(0.4g)；其制备方法为将荧光粉无机胶(0.4g)搅拌混合获得均匀浆料，通过刮刀将浆料刮涂于铝基板上，刮涂厚度为60μm，在真空烘箱中70℃下1h固化完成。其中，荧光粉由3+ 2+Lu3Al5O12:Ce 与CaAlSiN3:Eu 按质量比5?9:1混合而成。[0063] 从表3中可以看出，相较单层荧光膜的荧光器，本发明制得的多层荧光膜的荧光器不仅具有较高显指，且色温较低，CCT落于3000～7000K之间，适宜作为内窥镜光源使用。[0064] 本发明方案制备的高显色指数内窥镜激光光源系统能够在高显指(Ra＞90)下，实现色温于3000～7000K之间进行调整，使制得的激光光源系统能够适用于不同的脏器检查，具有较强的适用性，适宜进一步推广应用。[0065] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

专利地区：福建

专利申请日期：2022-04-28

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN115067865B