CN106526874B - 一种光耦合装置、光源系统及内窥镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及照明领域，公开了一种光耦合装置、光源系统及内窥镜系统，其中光耦合装置包括基板，基板上具有通孔，以及围绕通孔设置的反射结构，其中，通孔可供光束穿透基板，反射结构可对光束进行反射。本发明使得光束在透过光耦合装置时不会发生任何衰减，透射率相对于现有技术中的耦合装置可以提升到100%，同时也可以省去在基板入射面和出射面设置防反射涂层的步骤，从而可以简化工艺、降低成本；此外，本发明的光耦合装置在镀反射膜时无需专用治具对透射结构进行遮挡，在进一步降低成本的同时，也可以避免镀膜过渡区域的产生，保证透射结构与反射结构尺寸的精确性。

Description

一种光耦合装置、光源系统及内窥镜系统

技术领域

本发明涉及照明领域，尤其是涉及一种用于两束或者两束以上的光束进行耦合的耦合装置以及应用该耦合装置的光源系统，本发明还涉及医疗器械领域，尤其是涉及应用上述光源系统的内窥镜系统。

背景技术

在需要进行两束或两束以上光束耦合的照明光源系统中，常见的耦合部件包括半透射半反射镜，以正交的两束光为例，半透射半反射镜放置在光束的相交处，其中第一束光透过半透射半反射镜，第二束光则由半透射半反射镜进行反射，改变方向后与第一束光耦合，由于半透射半反射镜的特性，上述两束光在透镜处均会发生透射和反射，对于第一束光而言，反射部分无法被利用，对于第二束光而言，透射部分无法被利用，从而导致参与耦合的各束光分别损失掉至少一半的光功率，因此利用半透射半反射镜进行耦合的方案在对照明光源出射光功率有较高要求的应用场合中往往难以获得最佳的照明效果。

基于此，目前还具有一种耦合装置，该耦合装置包括一可透光的透射结构，以及位于该透射结构中心的反射结构，同样以正交的两束光为例，耦合装置放置在光束的相交处，其中第一束光由透射结构穿透耦合装置，第二束光则由反射结构进行反射，改变方向后与第一束光耦合，此方案可以解决半透射半反射镜方案中容易损失光功率的问题，然而其同样存在缺陷：在耦合装置的实际生产过程中，为了加工出具有限定大小与形状的反射结构，加工商会先制造一个对应的夹具对透射结构进行遮挡，然后在透射结构中心的露出区域镀反射膜。由于镀膜工艺的局限性，夹具与透射结构的接触部分不可避免地存在镀膜过渡区域。根据每家厂商工艺把控能力的不同，镀膜过渡区域的尺寸在0.3mm～1mm之间漂移，无论其大小，镀膜过渡区域均会改变反射结构的尺寸精度，不但影响反射结构的反射效率，还会影响透射结构的光传递效率。

此外，由于反射作用的存在，光束在穿透透射结构时不可避免的产生功率损失，通常而言透射率为92%，虽然可以通过在透射结构的入射面和出射面设置防反射涂层的方式提升透射率，然而设置防反射涂层将会导致工艺的复杂化，并显著增加成本。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种光耦合装置，以解决现有耦合装置制造工艺复杂、成本高以及存在镀膜过渡区域的问题。

本发明还提供一种应用上述光耦合装置的光源系统与内窥镜系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种光耦合装置，包括基板，基板上具有通孔，以及围绕通孔设置的反射结构，其中，通孔可供光束穿透基板，反射结构可对光束进行反射。

作为上述方案的进一步改进方式，反射结构包括覆盖在基板上的反射膜层。

作为上述方案的进一步改进方式，反射膜层在400nm-700nm波段的反射率大于99%。

作为上述方案的进一步改进方式，通孔位于反射结构的中心。

作为上述方案的进一步改进方式，通孔的形状包括矩形、圆形或者椭圆形。

作为上述方案的进一步改进方式，包括嵌设在通孔内的透光部件。

作为上述方案的进一步改进方式，通孔面积占基板面积的比值满足：当光束被反射结构反射时，由通孔导致的光通量的降低比例不大于30%。

一种光源系统，包括第一光源模块、第二光源模块以及上述的光耦合装置，光耦合装置设于第一光源模块与第二光源模块所射出的光束的相交处，其中第一光源模块射出的第一光束自通孔穿过光耦合装置，第二光源模块射出的第二光束被反射结构反射后沿第一光束前进的方向射出，以与第一光束形成一耦合光束。

作为上述方案的进一步改进方式，光耦合装置与第一光束之间的夹角为30°-60°。

作为上述方案的进一步改进方式，第一光束与第二光束正交，光耦合装置与第一光束之间的夹角为45°。

作为上述方案的进一步改进方式，第一光源模块包括激光二极管以及依次设于激光二极管光路上的第一准直透镜、第一汇聚透镜、消散斑模块与第二准直透镜。

作为上述方案的进一步改进方式，第一光源模块包括多个激光二极管与对应的第一准直透镜，其中该多个激光二极管中至少包括一个红光激光二极管、一个绿光激光二极管与一个蓝光激光二极管，各激光二极管射出的光束合成为一平行光束。

作为上述方案的进一步改进方式，由红光激光二极管射出的红光激光的波长为630-670nm，由绿光激光二极管射出的绿光激光的波长为510-550nm，由蓝光激光二极管射出的蓝光激光的波长为430-470nm。

作为上述方案的进一步改进方式，第一光源模块包括LED与设于LED光路上的准直透镜。

作为上述方案的进一步改进方式，第二光源模块包括白光LED以及设于白光LED光路上的第三准直透镜。

作为上述方案的进一步改进方式，包括第三光源模块与次级光耦合装置，其中次级光耦合装置设于第三光源模块所射出的第三光束与耦合光束的相交处，耦合光束透过次级光耦合装置，第三光束被次级光耦合装置反射后沿耦合光束前进的方向射出，以与耦合光束进行耦合。

作为上述方案的进一步改进方式，第三光源模块包括蓝紫光LED以及设于蓝紫光LED光路上的第四准直透镜。

作为上述方案的进一步改进方式，次级光耦合装置包括次级基板以及覆盖在次级基板上的透射/反射膜层，透射/反射膜层的参数满足：在390nm-420nm波段，膜层反射率大于99%；在440nm-700nm波段，透射率大于95%。

作为上述方案的进一步改进方式，次级光耦合装置包括次级基板，次级基板上具有通孔，以及围绕通孔设置的反射膜层，其中，通孔可供耦合光束穿透次级基板，反射结构可对第三光束进行反射。

作为上述方案的进一步改进方式，第三光束与耦合光束正交，次级光耦合装置与耦合光束之间的夹角为45°。

作为上述方案的进一步改进方式，包括第二汇聚透镜与匀光棒，匀光棒的入光口放置于第二汇聚透镜的焦点处，耦合光束由第二汇聚透镜汇聚后进入匀光棒。

一种内窥镜系统，包括上述的光源系统。

本发明的有益效果是：

光束在透过光耦合装置时不会发生任何衰减，透射率相对于现有技术中的耦合装置可以提升到100%，同时也可以省去在基板入射面和出射面设置防反射涂层的步骤，从而可以简化工艺、降低成本；此外，本发明的光耦合装置在镀反射膜时无需专用治具对透射结构进行遮挡，在进一步降低成本的同时，也可以避免镀膜过渡区域的产生，保证透射结构与反射结构尺寸的精确性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明光耦合装置第一个实施例的正视图；

图2是本发明光耦合装置第一个实施例的剖视图；

图3是本发明光耦合装置第二个实施例的剖视图；

图4是本发明光源系统第一实施例的系统组成示意图；

图5是本发明光源系统第二实施例的系统组成示意图；

图6是本发明光源系统第三实施例的系统组成示意图；

图7是本发明光源系统第四实施例的系统组成示意图；

图8是本发明光源系统第五实施例的系统组成示意图；

图9是本发明光源系统第六实施例的系统组成示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图1、图2，分别示出了本发明光耦合装置第一个实施例的正视图与剖视图，如图所示，光耦合装置包括基板101，基板101上具有通孔102，以及围绕通孔102设置的反射结构103。其中光束可自通孔102穿透基板101，反射结构103则可对光束进行反射，由于该通孔的存在，光束在透过光耦合装置时不会发生任何衰减，透射率相对会现有技术中的耦合装置可以提升到100%，同时也可以省去在基板入射面和出射面设置防反射涂层的步骤，从而可以简化工艺、降低成本；此外，本发明的光耦合装置在镀反射膜时无需专用治具对透射结构进行遮挡，在进一步降低成本的同时，也可以避免镀膜过渡区域的产生，保证透射结构与反射结构尺寸的精确性。

在本实施例中，反射结构103包括覆盖在基板101上的反射膜层，该反射膜层可以采用已知的任何工艺与基板连接，在此不做限定。

进一步的，本实施例优选对反射膜层的参数具有一定的要求：该膜层在400nm-700nm波段的反射率大于99%，即光耦合装置的透射率达到100%，反射率达到99%。

在本实施例中，通孔102位于反射结构103的中心，以使透过光耦合装置的光束位于被反射结构反射后的光束的中心。本发明也不对通孔102的形状进行限制，其可以是常见的几何形状，如包括矩形、圆形、椭圆形等，本实施例优选采用长方形的通孔。

此外，本实施例优选对通孔102面积占基板101面积的比值具有一定的要求：当光束被反射结构反射时，由通孔导致的光通量的降低比例应不大于30%，作为光耦合装置相关尺寸的一个优选实施例，其外形尺寸为70mm*70mm，通孔尺寸为22mm*25mm。

参照图3，示出了本发明光耦合装置第二个实施例的剖视图，如图所示，其与第一个实施例的区别在于通孔102内嵌设有一透光部件104，该透光部件104可由已知的任何透光材料制成，其一侧或者两侧表面上也可以设置防反射涂层以提升透射率，透光部件104使得光耦合装置从外观上无任何可见的通孔，其虽然对生产工艺与成本控制造成一定的影响，但至少可以避免镀膜过渡区域的产生，比如先在基板的表面镀反射膜，镀膜完成后再在通孔内嵌设透光部件。

本发明还公开了一种光源系统，参照图4，示出了光源系统第一实施例的系统组成示意图，图中虚线框表示光源模块。带箭头的虚线表示光束，箭头方向表示光束的前进方向，且附图中各部件的形状与尺寸仅起示意的作用，不代表实际的形状与尺寸，下同。如图所示，光源系统包括第一光源模块200、第二光源模块300以及上述的光耦合装置100，作为光耦合装置、第一光源模块、第二光源模块的相对位置关系的最优实施例，本实施例中第一光源模块200射出的第一光束与第二光源模块射出的第二光束正交，光耦合装置100与第一光束之间的夹角为45°，如此既可以保证第一光束可从光耦合装置100的通孔内射出，又可以保证第二光束被反射结构反射后沿第一光束前进的方向射出，从而与第一光束形成一耦合光束。

光耦合装置设于第一光源模块与第二光源模块所射出的光束的相交处，其中第一光源模块射出的第一光束自通孔穿过光耦合装置，第二光源模块射出的第二光束被反射结构反射后沿第一光束前进的方向射出，以与第一光束形成一耦合光束。

除上述实施例外，光耦合装置100与第一光束之间的夹角可以在30°-60°的范围内调整，第一光束与第二光束之间的角度也需要对应调整，以保证第二光束经反射后可与第一光束耦合。

具体的，第一光源模块200为激光光源，包括激光二极管201以及依次设于激光二极管201光路上的第一准直透镜202、包括第一汇聚透镜203、消散斑模块204、第二准直透镜205，激光二极管201发射出的发散光经过第一准直透镜202变成准直光，准直光经过第一汇聚透镜203汇聚，然后进入消散斑模块204中进行消相干处理，经过消散斑模块204处理的消相干光被第二准直透镜205准直后参与后续的光束耦合。

优选的，消散斑模块204可采用旋转扩散片或振动扩散片的方式进行消相干，扩散片的散射角度大于5°，转速大于或等于400转/分。此外，本实施例中的第一准直透镜202优选采用非球面准直透镜。

本实施例中的透镜（包括但不限于汇聚透镜、准直透镜）可以根据需要选用已知的任何透镜结构，或者由已知的可以达到同样目的的光学构件替代，下同。

第二光源模块300包括白光LED301以及设于白光LED301光路上的第三准直透镜302，白光LED301的初始光通量优选大于800流明。类似的，白光LED301发射出的发散光经过第三准直透镜302变成准直光，然后与第一光束进行耦合。

此外，光源系统还包括第二汇聚透镜400与匀光棒500，匀光棒500的入光口放置于第二汇聚透镜400的焦点处，第一光束与第二光束耦合后由第二汇聚透镜400进行汇聚，再由匀光棒500导入后续的照明光纤束（未示出）中进行照明，其中匀光棒500的通光孔径等于或略小于照明光纤束的通光孔径，以保证光束的高效传输。

参照图5，示出了光源系统第二实施例的系统组成示意图，其与第一个实施例的区别在于第一光源模块200包括多个激光二极管201与对应的第一准直透镜202，进一步的，该多个激光二极管中至少包括一个红光激光二极管、一个绿光激光二极管与一个蓝光激光二极管，各激光二极管可以独立调节亮度。本实施例具体包括一个红光激光二极管、一个绿光激光二极管与一个蓝光激光二极管。

优选的，由红光激光二极管射出的红光激光的波长为630-670nm，总初始功率为0.7-1.4W；由绿光激光二极管射出的绿光激光的波长为510-550nm，总初始功率为0.6-1.6W；由蓝光激光二极管射出的蓝光激光的波长为430-470nm，总初始功率为0.2-1.6W。

为实现多束激光的耦合，本实施例还包括若干的二向色合光片206，其中二向色合光片206对应各激光二极管设置，以将各激光二极管射出的光束合成为一平行光束，合束后的平行光束再依次经过第一汇聚透镜203、消散斑模块204、第二准直透镜205，除上述实施例之外，多束激光的耦合还可以采用其它已知的技术，如通过光纤耦合等。

本发明不对光源模块（包括下述的第三光源模块）的种类与组成做任何限定，根据需求各光源模块可以进行替换调整，参照图6，示出了光源系统第三实施例的系统组成示意图，图中第一光源模块包括LED207与设于LED207光路上的准直透镜208，当然，LED也可以如第二实施例一样采用红光、绿光、蓝光LED的组合，各LED射出的光束通过已知的任何方式进行耦合。

参照图7，示出了光源系统第四实施例的系统组成示意图，其与第一个实施例的区别在于还包括第三光源模块600与次级光耦合装置700，其中第三光源模块600放置在第二光源模块300与第二汇聚透镜400之间，其射出的第三光束与第一、第二光束耦合后的耦合光束正交，次级光耦合装置700设于第三光束与耦合光束的相交处，且与耦合光束之间的夹角为45°，如此耦合光束透过次级光耦合装置700，第三光束被次级光耦合装置700反射后沿耦合光束前进的方向射出，以与耦合光束进行耦合。当然，第三光束与耦合光束之间的夹角也可以在30°-60°的范围内调整。

优选的，第三光源模块600包括蓝紫光LED601以及设于蓝紫光LED601光路上的第四准直透镜602，本实施例中蓝紫光LED601的光谱波段范围为390-430 nm，蓝紫光LED601发射出的发散光经过第四准直透镜602变成准直光，然后参与后续的光束耦合，蓝紫光LED601也可以由蓝紫光激光二极管替代。

蓝紫光LED模块具有以下作用：

（1）蓝紫光LED的光谱波段范围为390-430 nm，能够很好地弥补白光LED光谱在此波段范围内光谱光功率不足的缺点，蓝紫光LED与白光LED按照一定的光功率比混合生成的白光具有更宽的光谱覆盖范围，从而使照明光源具备更高的显色指数。

（2）蓝紫光LED的光谱波段范围覆盖了血红蛋白的最大光谱吸收波段，由此将蓝紫光LED与白光LED按照前者光功率高于后者的方式混合生成的照明光源，能够在保持图像亮度的同时凸显浅层血管，从而提高疾病检出率。

本实施例中的次级光耦合装置700可以允许部分波段的光透过，而对另一部分波段的光进行反射，具体而言，次级光耦合装置包括次级基板以及覆盖在次级基板上的透射/反射膜层，在390nm-420nm波段，膜层反射率大于99%；在440nm-700nm波段，透射率大于95%，如此，只需满足第一光束、第二光束耦合后的耦合光束的波段范围在440nm-700nm之间，第三光束的波段范围在390nm-420nm之间便可以实现第一、第二、第三光束的耦合。

参照图8，示出了光源系统第五实施例的系统组成示意图，其与第三个实施例的区别在于次级光耦合装置700，本实施例中的次级光耦合装置700与光耦合装置100的结构类似，即包括次级基板，次级基板上具有通孔，以及围绕通孔设置的反射膜层，其中，次级基板及其上的通孔的尺寸相对于基板及其上的通孔的尺寸应做扩大处理，以保证第一、第二光束耦合后的耦合光束可以自次级基板上的通孔穿透该次级基板，反射结构则用于对第三光束进行反射，如此同样可以实现第一、第二、第三光束的耦合。

参照图9，示出了光源系统第六实施例的系统组成示意图，本实施例即为光源系统的最优实施例，其包括有第一光源模块200、第二光源模块300与第三光源模块600，其中第一光源模块200、第二光源模块300与第二实施例中的第一光源模块200、第二光源模块300相同，第三光源模块600与第三实施例中的第三光源模块600相同，在此就不一一赘述，结合上述各光源模块，本实施例的工作模式如下：

（1）基本照明模式：同时开启白光LED光源和蓝紫光LED光源，通过一定配比，提供高亮度、高显色指数图像。

（2）增强照明模式：同时开启白光LED光源、蓝紫光LED光源和多波长激光光源（其中一束或几束组合），通过一定配比，可在提供高亮度图像的同时，凸显不同深度的血管形态。

（3）纯激光模式：同时开启蓝紫光LED光源和多波长激光光源（其中一束或几束组合），通过一定配比，可在提供高对比度图像的同时，凸显不同深度的血管形态。

本发明还公开了一种应用上述光源系统的内窥镜系统。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (15)

1.一种应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，包括

光耦合装置，所述光耦合装置包括基板，所述基板上具有通孔，以及围绕所述通孔设置的反射结构，其中，所述通孔可供光束穿透所述基板，所述反射结构可对光束进行反射；

第一光源模块，包括多个激光二极管与对应的第一准直透镜，其中该多个激光二极管中至少包括一个红光激光二极管、一个绿光激光二极管与一个蓝光激光二极管，各激光二极管射出的光束合成为一平行光束；

第二光源模块，包括白光LED以及设于所述白光LED光路上的第三准直透镜；

第三光源模块，包括蓝紫光LED以及设于所述蓝紫光LED光路上的第四准直透镜；

次级光耦合装置；

其中，所述光耦合装置设于所述第一光源模块与第二光源模块所射出的光束的相交处，所述第一光源模块射出的第一光束自所述通孔穿过所述光耦合装置，所述第二光源模块射出的第二光束被所述反射结构反射后沿所述第一光束前进的方向射出，以与所述第一光束形成一耦合光束，所述次级光耦合装置设于所述第三光源模块所射出的第三光束与所述耦合光束的相交处，所述耦合光束透过所述次级光耦合装置，所述第三光束被所述次级光耦合装置反射后沿所述耦合光束前进的方向射出，以与所述耦合光束进行耦合；

所述光源系统具有以下工作模式：

基本照明模式：同时开启所述白光LED与所述蓝紫光LED；

增强照明模式：同时开启所述白光LED光源、所述蓝紫光LED光源与多个所述激光二极管中的一个或者多个；

纯激光模式：同时开启所述蓝紫光LED光源与多个所述激光二极管中的一个或者多个。

2.根据权利要求1所述的应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，所述反射结构包括覆盖在所述基板上的反射膜层。

3.根据权利要求2所述的应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，所述反射膜层在400nm-700nm波段的反射率大于99％。

4.根据权利要求1所述的应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，所述通孔位于所述反射结构的中心。

5.根据权利要求1所述的应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，所述通孔的形状包括矩形、圆形或者椭圆形。

6.根据权利要求1所述的应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，包括嵌设在所述通孔内的透光部件。

7.根据权利要求1所述的应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，所述通孔面积占所述基板面积的比值满足：当光束被所述反射结构反射时，由所述通孔导致的光通量的降低比例不大于30％。

8.根据权利要求1所述的应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，所述光耦合装置与所述第一光束之间的夹角为30°-60°。

9.根据权利要求8所述的应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，所述第一光束与第二光束正交，所述光耦合装置与所述第一光束之间的夹角为45°。

10.根据权利要求1所述的应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，由所述红光激光二极管射出的红光激光的波长为630-670nm，由所述绿光激光二极管射出的绿光激光的波长为510-550nm，由所述蓝光激光二极管射出的蓝光激光的波长为430-470nm。

11.根据权利要求1所述的应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，所述次级光耦合装置包括次级基板以及覆盖在所述次级基板上的透射/反射膜层，所述透射/反射膜层的参数满足：在390nm-420nm波段，膜层反射率大于99％；在440nm-700nm波段，透射率大于95％。

12.根据权利要求1所述的应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，所述次级光耦合装置包括次级基板，所述次级基板上具有通孔，以及围绕所述通孔设置的反射膜层，其中，所述通孔可供所述耦合光束穿透所述次级基板，所述反射结构可对所述第三光束进行反射。

13.根据权利要求1所述的应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，所述第三光束与所述耦合光束正交，所述次级光耦合装置与所述耦合光束之间的夹角为45°。

14.根据权利要求1所述的应用于内窥镜系统的光源系统，其特征在于，包括第二汇聚透镜与匀光棒，所述匀光棒的入光口放置于所述第二汇聚透镜的焦点处，所述耦合光束由所述第二汇聚透镜汇聚后进入所述匀光棒。

15.一种内窥镜系统，其特征在于，包括权利要求1至14中任一项所述的光源系统。

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