CN107111046B - 高辐射发光二极管光引擎 - Google Patents

Abstract

描述了一种发光二极管(LED)高辐射照明系统，其包括至少一个LED管芯和锥形收集光学器件。在锥形收集光学器件恢复光的输出端处的反射表面中的孔径被配置为向相邻的光纤束发射光。围绕孔径的反射表面通过锥形收集光学器件反射光，导致增加的辐射。该系统在近场和远场中提供均匀的高强度，并且适用于包括具有高显色指数的手术和显微镜照明以及稳定和可调节的强度和相关显色的应用。照明可以包括一种或多种颜色，包括白光。该系统具有改善的热和光学性能，并且通常相对于常规系统更紧凑且成本更低。

Description

高辐射发光二极管光引擎

相关申请

本申请要求于2014年12月2日提交的并且题为“High Radiance Light EmittingDiode Light Engine”的美国临时专利申请序列号62/086,368的更早申请日的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般涉及一种高辐射发光二极管(LED)光源，其被表征为高平均显色指数(CRI)，并且R9值在相关色温(CCT)从大约3000开尔文至8,000 开尔文的范围内大于85，该范围跨越了手术照明应用的常见感兴趣的范围。高辐射LED光源可以被用于为荧光显微镜领域提供高辐射窄带荧光激发照明。高辐射LED光源可以被耦接到标准的三毫米液体光导中，诸如被用于显微镜照明或手术前大灯或两到五毫米直径光纤光导的那些，诸如在内窥镜手术应用中使用的那些。高辐射LED光源可以包括其全光谱上的光功率的闭环控制，以保持随时间和温度的光规格。

背景技术

高辐射发光二极管(LED)光源对于手术和显微镜照明中的挑战性应用需求很高。手术和显微镜照明领域中的现有技术典型地利用钨或钨卤素、金属卤化物、短弧氙灯、短弧汞灯、或最近的包括预先包装的高亮度白色LED的系统。对于许多更苛刻的手术应用而言，钨卤素源没有足够的辐射，并且寿命非常短，大约仅数百小时或更少。金属卤化物、短弧氙灯和短弧汞灯需要大约数十千伏的高电压来启动电弧，这可能是手术室中相对于EMI关注的问题。弧灯也遭受电弧闪烁，这需要使光学器件均质化，这进一步降低了源辐射。此外，金属卤化物、氙灯和汞灯使用有毒汞，由于毒性问题而造成其被管理机构强制退出市场。基于LED的手术照明源提供长寿命和高辐射的优点，但是商业上可用的单元遭受大约65至80的非常低的CRI，并且没有用户可调节的CCT。此外，由于它们典型地仅由白色LED管芯制成，因此CCT通常随强度增加而增加，并且因此不稳定。

发明内容

本文描述的LED光源的实施例不包含汞，在CCT中是可控的和稳定的，并且在大范围的CCT内具有范围在85和98之间的CRI。LED管芯的多个颜色上的闭环控制被用于随时间和温度变化获得可调节和稳定的CRI和CCT。钨、金属卤化物以及氙和汞短弧灯两者的严重局限性在于它们被表征为寿命短，大约只有数百到低数千小时，并且在一生中，它们的产量可能会恶化多达百分之五十或者更多。在最初的一百个小时之内，已知氙短弧灯降低了其初始强度的大约二十到百分之二十五。使用基于闭环LED的系统，可以超过2万小时的产品的寿命内，强度可以保持稳定。术语辐射是指每单位立体角的每单位面积的光功率，其是测量至具有固定面积并在固定角度范围内发送的光纤的输入的优选度量。对光功率的眼睛响应被描述为亮度，其是辐射度项辐射的光度对等物。

手术照明包括直接视觉应用，诸如通过由人眼直接观察的开放手术部位的光纤照明，在深腔心脏手术中使用的手术前大灯和在纤维直径的范围内的内窥镜手术。本发明的实施例可以被用作头顶的手术照明的直接耦合光纤系统。显微镜照明包括广谱普通显微镜照明和范围在UVA和红外光谱区域之间的窄带荧光激发照明两者，其中本发明理想地适用于并且优于所有现有的灯技术。本发明的实施例还存在许多其它用途，包括但不限于戏院照明、用于军事应用的高强度聚光灯、可视和不可视两者以及工业处理和控制。

预包装的LED被定义为包括被布置在一个或多个导热材料和导电材料的顶部上的LED或LED阵列的装置，其每个具有相关联的热阻抗、电引线和热背板，然后旨在将其附接到具有额外的热阻抗的另一个电板。预包装装置的示例包括由飞利浦销售的Luxeon^TM和Rebel^TM产品线、Osram Dragon^TM和Ostar^TM产品线以及CREE X-Lamp^TM产品线。相比之下，本发明的实施例产生相当低的热阻抗以及因此较低的LED结温，导致更高的辐射和更长的寿命。

本文描述的高辐射光纤耦合系统的实施例包括具有一个或多个不同光谱区域的LED光源，其覆盖包括宽带白光的紫外和近红外之间的波长范围。LED、一个或多个LED阵列被安装到包括板上管芯(COB)技术的高导热电路板，并且在一个优选实施例中直接被安装到金刚石散热器，其然后被安装到COB以改善热性能。结合包括光恢复反射特征的高效率非成像收集光学器件、光功率监视和每种颜色LED类型的独立闭环控制，本发明的得到的基于LED的光纤高辐射光源通过包括钨卤素、金属卤化物、短弧氙灯和短弧汞灯系统的典型市售系统或其他基于LED的系统在性能方面是无与伦比的。

典型地从紫外、蓝色、蓝绿色、绿色、琥珀色、红色、红外或荧光粉涂覆的蓝色(对于白光)LED或其他荧光粉涂覆的LED颜色发射的光功率由一个或多个非成像集中器收集，通常以四边形锥形收集光学器件的形式，另被称为“锥体”，其直接并入或作为分离的元件并入具有尺寸适于耦接到给定光纤尺寸和数值孔径(NA)的发射孔径的镜面表面，以通过在镜面孔径和LED阵列之间循环时回收光功率来产生对光学光导的高辐射输入。光输出被表征为近场和远场两者中的高均匀性，并且通过从每个LED类型发射的光功率的闭环控制提供的具有时间和温度的可调节和稳定的光谱。

在一个方面，第一实施例利用单个非成像锥体，其中集光率(面积、立体角、折射率平方乘积)由阵列中的所有LED共享。这种方法产生优于现今市售的任何东西的优异结果。在闭环电流控制中监视和使用光输出，以在用户可设置的CCT值的范围内实现稳定的CRI。该系统被表征为近场和远场两者中的高均匀性，如通过严格的手术照明应用所要求的，以防止颜色条带效应。

在另一方面，第二个一般实施例利用多个锥体，在优选实施例中为四个，其导致改进的热扩散，并且从而相对于单个锥体实施例的更高的辐射和更长的寿命，然而，以更大的物理体积和成本为代价。这种多锥体方法还可以在每个锥体上配备有独立的光谱带通激发滤波器，以应用于典型地耦接到与显微镜耦接的液体光导的荧光显微镜激发。

在另一方面，第三个一般实施例包括二向色光束耦合器，其允许集光率由与描述的第一实施例相同尺寸的两个或更多个LED阵列完全充满而不是由其共享，这增加了复杂性和成本，但能够实现甚至更高的辐射。光束耦合器以两种形式被示出。第一种被并入在由两个棱镜半部组成的光导立方体中，其中斜边之一上沉积有二向色涂层，然后将两个斜边光学胶结并将折射率匹配在一起以形成光束组合立方体。光束耦合器的第二种形式包括与光轴成四十五度的薄的二向色涂层窗口，并且使用校准和会聚透镜对以将如上面概述的第一实施例中描述的类型的两个或多个单个锥体的输出进行重新成像下降到每个源的共同图像，在那里其可以被耦接到光导中。

附图说明

本发明的结构、操作和方法以及其其它目的和优点可以最好通过阅读下面结合附图的详细描述来理解，其中每个部分具有分配的数字或标签，其识别各个附图中的部分，并且其中：

图1是包括具有多色LED阵列的LED板、收集光学器件、光学壳体、光纤耦合器、散热器和风扇以及LED电流驱动器和控制器的高辐射LED模块的优选实施例的示意性等距视图。

图2是图1的系统的示意性等距视图，其中去除了电流驱动器和控制器。

图3是图1的系统的示意性等距视图，其中去除了散热器模块和风扇、电流驱动器和控制器。

图4A和图4B分别示出了图3的系统的示意性等距和侧面横截面视图，其暴露了LED板、锥形收集光学器件、光学保持件和光纤接口的细节。

图5A和图5B分别示出了图1的LED模块的示意性等距和等距横截面视图，以示出LED板、LED阵列、锥形光学器件和光学壳体的细节。

图6A和图6B分别示出了不具有和具有光线路径的图5A的系统的横截面侧视图。

图7A和图7B分别示出了图5A的系统的示意性等距和顶视图，其中去除了机械壳体以示出锥体、LED板和光电传感器的细节。

图8是图7A的系统的示意性等距横截面视图。

图9A和图9B分别示出了图5A的系统的LED板和LED管芯阵列的示意性等距视图和示意性等距特写视图。

图10A和图10B分别示出了图5A的LED板和LED管芯阵列的示意性顶视图和示意性顶部特写视图。

图11A和图11B分别示出了图5A的系统的示意性等距视图和特写横截面等距视图，其中去除了掩模以示出金刚石散热器的下层电路迹线和细节。

图12A和图12B分别示出了图5A的替代实施例的示意图和特写视图，其中没有针对其LED管芯直接被附接到铜基板的金刚石散热器。

图13A和图13B分别示出了具有实线和隐藏线的图4A的具有反射孔径的锥形光学器件的示意性等距视图。

图14A和图14B示出了收集光学系统的替代实施例的示意性等距视图，该收集光学系统包括4个类似的锥体的阵列，每个锥体与不同的LED阵列耦接，并且相互耦接到直的均质化光管，分别使用实线和隐藏线示出。

图15A至图15E示出了收集光学系统的替代实施例的示意性等距视图、侧视图和端视图，该收集光学系统包括4个类似的锥体的阵列，每个锥体与不同的LED阵列耦接，具有孔径的反射镜包括四个不同的光谱带通滤波器，并且相互耦接到分别使用实线和隐藏线示出的直的均质化光管，以及具有光谱带通滤波器的反射镜的详细视图。

图16A至图16D示出了图15A的系统的替代实施例的示意性等距视图、侧视图和端视图，其中锥体具有从其相应的输出孔径移位的输入孔径，从而通过增加LED管芯阵列之间的中心到中心位移来提高热性能。

图17A和图17B分别示出了图16A的锥体的隐藏线示意性等距视图和端视图。

图18A至图18C分别示出了图17的系统的示意性端视图、被布置在锥体之间的公共反射孔径的细节以及输出方形横截面均质化组合器的示意图及其相应的圆形输出反射孔径的细节。

图19A至图19E分别示出了图15A系统的替代实施例的具有和不具有LED 管芯的示意性等距、等距隐藏线、侧视图和端视图，具有用于较低远场角度的增加的锥体输出尺寸，以用于将带通滤波器与更清晰的光谱响应、镜面孔径和反向锥体结合。

图20示出了LED模块的优选实施例的流程图框图，具有用于控制色温和显色指数的四种颜色管芯类型中的每种上的独立闭环电流控制。

图21A和图21B分别示出了LED电流驱动1和LED电流驱动2的图。

图21C和图21D分别示出了LED电流驱动3以及LED电流驱动1、LED 电流驱动2和LED电流驱动3的组合的图。

图21E和图21F分别示出了LED电流驱动1、LED电流驱动2和LED电流驱动3的总和及其功率谱密度的图。

图22A至图22H分别示出了针对锥体长度在25mm和100mm之间的在锥体输入处的单个偏离中心LED的图5的系统的锥体中的远场以及光纤中的远场的灰度图像。

图23示出了针对锥体与锥体长度的远场均匀性的来自图21的横截面数据。

图24A至图24L分别示出了针对对应于不同颜色的3个不同LED管芯配置的在输入孔径处的LED管芯布置、在输出孔径处的远场和近场以及通过光纤束的远场。

图25A和图25B分别示出了在满尺度和满尺度的90％中的图5A的系统的近场归一化强度图，用于在锥体的输入处输出单个管芯。

图26A至图26C分别示出了3个不同的LED光谱的图，指示相关联的色温、显色指数和R9值。

图27是图5A的替代实施例的系统的示意性等距视图，其由两个LED板和相关联的锥体、二向色组合立方分束器和输出耦合反向锥体组成。

图28A和图28B分别示出了不具有和具有射线路径的图27的系统的示意性侧视图。

图29是图27的系统的替代实施例的示意性等距视图，其包括4个LED板和相关联锥体以及二向色组合立方分束器和输出耦合反向锥体的3个集合。

图30A和图30B分别示出了不具有和具有射线路径的图29的系统的示意性侧视图。

图31A和图31B分别示出了以示出的示意性等距视图和具有射线路径的侧视图的使用透镜和二向色光束组合器的系统将多个LED板和光谱带二向色耦合至光纤中的替代实施例。

具体实施方式

本发明的实施例涉及发光二极管(LED)照明，其被配置为诸如在适用于以下应用的光纤耦合照明的固定直径和角度空间内产生高辐射照明，所述应用包括：手术内窥镜检查、手术前大灯、用于白光和荧光激发两者的显微镜照明、以及用于耦接到光导中或用于重新成像到点的高辐射照明的通用源，诸如在剧院照明中的高强度聚光灯中。特别地，用于改进手术、显微镜和聚光灯系统的基于LED的光源的这些实施例在保持相对于现有技术的高CRI、更低的成本、更高的辐射强度和增加的寿命的同时具有更高的显色指数(CRI)、相关色温 (CCT)的更大控制范围。这些实施例具有高度均匀的近场和远场辐射轮廓，使得它们作为对于基于LED和短弧氙灯两者的系统的现有技术的优异替代和改进。因此，这些实施例在关键应用(诸如其中例如在动脉和静脉之间进行区分至关重要的手术)所需的高CRI处提供更高的辐射、色温控制。

如本文所使用的，短语“处于光学连通”是指将光从或多个光学组件发送到一个或多个其它光学组件、或在一个或多个光学组件处从一个或多个其它光学组件接收光的能力。单词“子集”是指小于相同元素的总数或收集的元素的数量或收集。

现在参考图1，其中示出了通常被指定为系统10的高辐射LED光纤光源的优选实施例的外部的示意性等距视图。LED光源系统10包括：LED板28，其与光学壳体36配合，该光学壳体36的出口孔径处具有输出光纤束配件38；光电传感器34，其被布置在壳体36中以监视每种LED颜色类型的输出功率；散热板32，其被连接到热管18和24，继而被连接到由风扇20冷却的散热翅片配件22，并且由电流源12供电。LED板28上的电连接器30通过电连接器16连接到电流源12。电流源和控制器12被连接到散热器14，其通过热管18被连接到热管配件。LED板28被限定在XY平面中，并且输出沿着光学Z轴被指引。支架26用于将散热板32保持在热管配件18和24上，并借由在支架26的顶部和底部中安装孔来在系统10和相关联的外壳之间提供机械接口。

现在参考图2，其中示出了系统40的示意性等距视图，其等同于图1的系统10，其中去除了电流源12和相关联的散热器和热管，以示出下面部件的细节，包括翅片配件22和LED板热管24。热管是广泛使用的技术，其包括内部具有低压水蒸气的铜管，其中热源在一端被附接到散热器并且翅片散热器被附接到冷侧，其中风扇将空气吹过翅片，以将热量排除到空气。热管被表征为大约5000 (五千)W/m-K或以上的极高有效导热性，这比纯铜高一个数量级，纯铜是可用的最具传导性金属材料之一。热管成本低并且可靠性高，并且已经被计算机行业商品化，但是现在正在高效率地被应用于大功率LED技术，诸如这里示出的系统中。

现在参考图3，其中示出了图2的系统50的示意性等距视图，其中去除了散热器配件以示出光纤接口38的更多细节。光纤配件38还包括：光纤耦合器保持件52，其使用四个(4)公共光纤耦合器适配器附接并对准到壳体36，该四个公共光纤耦合器适配器包括但不限于通过适配器保持件54对接到耦合器保持件52的共同被指定为56的Stortz、Wolf、ACMI和Olympus；以及光纤护套 58，其用于保护光纤束60免受损坏。

现在参考图4A，其中示出了图3的系统的示意性等距横截面视图70，揭示了被附接到金刚石散热器74的LED阵列72，该LED阵列72继而借由高导电性焊料被安装到LED板28，其中LED阵列72的辐射光功率基本上由锥形收集光学器件76的输入孔径78收集。在锥形收集光学器件76的输出孔径80处发射的均质化输出通过输入与输出半正弦角的比率(这也被称为数值孔径(NA) 的比率)基本上减小了发散角。数值孔径等于折射率与光功率的半角度范围的正弦的乘积。由于LED阵列72和输入孔径78之间的介质是空气，所以折射率是统一的。出于两个原因，LED阵列72和输入孔径78之间的介质是空气是重要的。首先，由于大部分发光功率源自白色LED管芯，其由于将荧光粉与LED 管芯结合的硅橡胶而造成已经有效地进行了折射率匹配，因此通过进一步的折射率匹配，它们不能实现显着更多的输出功率效率。其次，由于集光率(Etendue) 是折射率平方、发射面积和固体角度范围的乘积，所以输出孔径处的辐射通过将输入介质保持为统一折射率而最大化，这是因为这使得管芯面积最大化。由孔径80发射的光功率在输入面90处进入光纤束60。锥体76通过定心孔径84 而保持在壳体36中，该定心孔径84继而由保持环86保持。壳体36、定心孔径 84、保持器90和光纤保持件54在优选实施例中由铝制成，但是可以由其他材料制成，包括但不限于钢和工程塑料。LED板28由具有叠层电介质和铜箔层的金属芯组成，以形成电路板。该板优选由铜制成，具有大约360W/m-K的高导热性，其提供优异的热传导和热扩散，并且由明尼苏达Chanhassen的Berguist 公司制造以设计规格。可替代板材料包括铝、氮化铝、氧化铍、硅、碳化硅、石墨和多晶CVD金刚石以及平面热管，也被称为蒸气室。铜的额外的优点是其可以容易地被金属化，而不需要将影响热性能的额外的电介质涂层，使得如果需要，LED管芯可以直接被附接到铜，并且还表示可以容易地被焊接以接受散热器74的表面。金刚石散热器74被表征为显着更高的导热性，并且从而用于将热量直接扩散到LED管芯阵列的下方，使得进入铜基板92的热通量基本上减小，从而降低温差，也被称为在LED COB 28的背面和LED管芯阵列72的顶部之间的Delta T(ΔT)。下面更详细地描述金刚石散热器74。锥体保持器82 用于将锥体集中在LED阵列72上，并且还通过由保持螺母88施加的力将锥体向前推向输出保持器84。确保锥体76被阻止沿着LED管芯的方向移动以防止引线键合或LED管芯损坏是至关重要的。

图4B示出了图4A的横截面系统70的示意性侧视图。锥体76包括非成像光学器件，其在其输入侧78收集光，并在其输出侧80发射光，其在近场中高度均匀，即基本上靠近锥体的输出面80，发射的光被表征为相对较差的远场均匀性，即与锥体的输出面尺寸相比而言在距离较大处的强度模式，除非锥体足够长。如下面描述的，在实际长度和远场均匀性之间存在折衷。

图5A和图5B分别示出了包括LED板28、收集光学器件76、壳体36、光学保持组件84、86、82和88、光电传感器34和发射孔径80的系统100的示意性等距视图和横截面视图。多针电连接器30提供将电流输入到LED板28和随后的LED阵列72上的迹线的装置。光电传感器34具有横向看进入锥体76侧面中的视场。来自每个LED管芯的小的但有限的散射光以足够的强度到达光电传感器34，以在优选实施例中提供光信号以监视四个波长群组中的每个的光功率。如果需要，可以将诸如TiO₂的散射材料的小点放置在与光电传感器34相对的锥形光学器件76上并且使用合适的透明低折射率材料(诸如硅树脂)保持在适当位置，以导致光进入电传感器34的较高的散射和采样，其中通过孔径80 的总输出减少可以忽略不计。光电传感器是众所周知的硅PIN光电二极管类型，具有从紫外(UV)到近红外(NIR)的宽光谱响应，并且由许多公司生产，包括Hamamatsu的Hamamatsu Photonics(日本)。使用适当的高增益带宽和低噪声跨阻放大器而将光电流转换成要由下面详细描述的闭环控制系统采样的电压。替代实施例使用其他装置来对光功率进行采样，包括：光电传感器阵列，其具有对应于每个LED颜色的近似中心波长的独立带通滤波器；光谱仪，其包括某种类型的色散元件，诸如棱镜或光栅，以将输入孔径成像到光电传感器阵列上，并直接或借由光管或光纤连接。可替代地，光传感器或光电二极管阵列可以通过使用诸如光纤或光学光管的装置或镜面光偏转器直接被放置在LED板 28上，以从光电传感器孔径的位置对光进行采样。

图6A示出了图5A的系统的示意性横截面图，示出了光学组件的更多细节。锥体76的基本上圆形的输出孔径80借由高镜面反射镜表面102形成，以匹配锥体的方形输出孔径，并且具有略大于配对光纤束孔径的直径。在优选实施例中，反射镜被真空沉积在锥体76的输出面上，但是可以替代地被放置在锥体保持器84的相邻的面上，或者其可以是分离的镜面元件，并且具有清晰的大约5.2 mm的孔径直径，以容纳标准的内窥镜5.0mm直径的束。可替代地，系统可以被缩放到任何实际尺寸，包括3.0mm，其也是用于医疗照明和显微镜的标准。将反射镜直接放置在锥体76的输出面上的优点在于反射镜成为锥体的一部分，并且在配件的材料清单(BOM)中表示较少的部件。然而，与前表面镜相比而言，制造高反射率后表面镜更困难，因此分离的反射镜可能导致更好的性能。示出了顺从组件104被布置在锥体保持和定心组件82与相关联的螺纹保持器88 之间以承受随时间和温度(诸如差热膨胀)可能发生的任何变化，以确保锥体 76总是相对出口保持器84偏置并且锥体76保持与LED阵列72上的引线键合的安全距离。

图6B示出了图6A的系统，其中指示了射线路径。射线路径110被示出为以相对于光学Z轴以一定角度从LED阵列72离开，在撞击反射镜102之前四次撞击锥体72的壁。在反射镜102处，射线从反射镜反射离开，现在被指定为射线路径108并且在回到LED阵列72的路由上五次以上入射在锥体76的侧面。随后，射线漫反射回到锥体76中，并且被指引出反射镜102中的锥体孔径80，在那里射线自由进入图4A的配对的光纤束60。以这种方式，在入口孔径78附近从LED阵列72进入锥体76的光以较小的远场角度范围并且超过对应于反射镜102的非镜面中心直径80的直径在孔径80处离开锥体76。远场角度的减小基本上与集光率的守恒相一致，或可替代所述地与如上面描述的使用光学不变量的守恒相一致。撞击反射镜102的射线被反射回LED阵列72并且从LED管芯表面漫反射离开，使得入射回到LED管芯阵列72的光功率有机会从孔径80 中退出，从而增加了由集光率匹配系统产生的总辐射。因此，LED阵列72大于针对在角度和面积两者上匹配的集光率匹配系统的情况。由于在系统中存在有限损耗的事实，包括在锥体76的输入孔径处的Fresnel损耗、在锥体76的散状材料内的弱散射和吸收，在这种情况下，诸如Schott N-BK7、熔融二氧化硅或其他合适的低吸收和散射光学透明材料(包括塑料和硅树脂)的玻璃和镜面反射率损失，反射镜和LED阵列之间来回的射线的每次通过成比例地失去更多的光。无论如何，相对于单个通过集光率匹配系统，辐射的增加可以是显着的，并且可以在大约150％到200％或更大。因此，输入功率抵消以前也被称为亮度的辐射，但是这是相对于竞争的灯技术实现相当或更好的性能所必需的，诸如由加利福尼亚州Fremont的Excelitas(以前的Perkin Elmer)制造和销售的类型的300瓦短弧氙灯，作为

氙短弧灯。

现在参考图7A，其中示出了系统120的示意性等距视图，其表示图5A的系统，其中去除了壳体和光学保持组件以示出LED板28和锥形光学器件76以及相关联的反射孔径102的更多的细节。光电传感器34被示出为具有与锥形光学器件76的光学Z轴指向正交的视图方向。光学输入孔径78被定位在靠近大约一百至二百微米，最佳地距LED阵列72。具有侧面122和124的具有方形横截面的输出面被示出为在其面上具有镜面孔径102，以反射不会离开孔径80的光，以指引回到锥形光学器件76，其通过多次反射离开LED阵列并且锥体76 的壁允许光从孔径80发射到纤维束或其它光学组件中的另一个机会，从而增强了辐射。图7B示出了直接沿着光学Z轴观察的系统120的示意性顶视图。圆形孔径80的面积与由侧面122和124限定的锥体的端处的面积的比率是大约40％。因此，对于没有吸收或散射损失的理想系统，辐射提高了大约250％。理想的250％和所述100％至200％辐射增加之间的差异是由于LED、玻璃和镜面涂层中散射和吸收的真实有限损耗。

图8表示图7A的系统120的示意性横截面视图。可以使用靠近光学锥体 76的输入孔径78的金刚石散热器74和LED管芯阵列72来看到LED板28的铜基材料92。

图9A示出了来自图5A的系统100的LED板配件系统130的示意性等距视图，其中去除了光学器件和光学壳体组件以揭示优选实施例的LED板配件的下面的细节。LED基板28由铜基底层92组成，该铜基底层92用于在焊接到其的上金刚石散热器74的背面与通过图2的系统的高导热性焊料和散热片32直接附接至其的LED阵列72之间扩散热量。LED板28的顶层由一个或多个电绝缘的电介质层和铜箔层组成，以用作迹线以将电流从连接器30引导到LED管芯阵列72。每个LED管芯颜色被附着到不同的迹线，以使能每种颜色的分离的电流控制以控制复合白光或彩色照明，以对相关色温(CCT)和显色指数(CRI) 进行最佳控制。可替代地，由于血红蛋白或其他内在或外在造影剂的差异吸收，或用于荧光成像或近红外的深层组织成像，所以出于实现生物组织的较高对比度的目的，不同的迹线允许控制任何独立的颜色。例如，仅绿光或蓝绿光，由于血红蛋白的光谱选择性吸收，所以导致血红蛋白相对于宽白光照明的较高对比度。例如，仅蓝光可以与相机上的相关联的发射滤波器一起使用，或者直接查看内在或外在荧光的更长波长荧光发射的眼镜，其有助于识别重要的生物学条件。近红外光的使用仅可以被用于通过血液成像到更深的组织，这是因为生物成分在700nm和980nm之间的比例较低的吸收和散射，特别是通过血液成像的能力。板28中存在四个孔径132，其被用于允许螺钉穿过以将板固定到散热器。如果需要，运动孔134和狭槽136被用于将LED板28重复且精确地对准到安装结构和散热器。两个孔138被用于将配对的光学壳体运动附接到LED 板28，以确保相关联的光学器件的输入孔径与LED管芯阵列72精确地对齐。两个孔140允许在LED板28的背面的螺钉将图5A的壳体36固定到板28。

图9B示出了LED阵列72和系统130的相关联的组件的示意性等距特写视图。引线键合148将金刚石散热器74的顶部金属化层附接到LED管芯阵列72 的独立LED管芯上的焊盘。LED管芯阵列72由可以具有不同尺寸和各种特定光谱发射特性的多个独立LED管芯144和146组成，其将在下面描述。引线键合150在数个地方将金刚石散热器74上的迹线附接到金属芯板142上的迹线。热敏电阻152被定位在靠近LED管芯阵列72，以监视LED管芯阵列的温度。可以校准实际LED结温和热敏电阻152之间的任何偏移，使得可以容易地进行结温的精确确定。温度读数可以以多种方式被使用，包括在一定程度的颜色控制下修改基于温度的电流，或者如果温度突然增加，指示冷却系统中的故障机制，则发出警报。监视每个LED的输出的可替代的方法是将光传感器154定位在靠近LED阵列72的位置。

图10A是图9A和图9B的系统130的示意性顶视图。图10B示出了图10A 的系统130的示意性特写视图系统140。被设计用于标准5mm内窥镜光纤束的该优选实施例共具有二十五个LED管芯，由蓝色管芯与荧光粉组成，也被称为白色LED管芯，蓝色管芯对应于与被用于白色管芯的峰值波长类似的峰值波长，但没有荧光粉、蓝绿色管芯和红色管芯。每个的具体数量取决于所期的CCT和每种颜色的效率。在优选实施例中，存在十五个白色，四个每个为蓝绿色和红色，并且两个每个为蓝色LED管芯，共有二十五个总管芯。LED管芯尺寸在侧面为大约一毫米的工业标准，并且厚度在大约100μm到250μm之间变化。图 5B的LED管芯阵列72和锥体76之间的最小间隙厚度由管芯高度和引线键合高度决定为大约100μm至200μm。LED管芯紧密封装，以最大化光功率密度和系统级辐射，这必然要求将所有管芯在共同的阳极中被电连接在一起，这是每个LED管芯的底部接触。在颜色群组之间，LED管芯阴极是不同的，但是在一个群组中它们可以被连接在一起。然而，最好使用电流源来驱动每个LED管芯，使得相同颜色的独立LED管芯之间的正向电压的差异不会导致管芯之间的电流密度差异，其可以影响效率和寿命。然而，如果在颜色群组内的LED管芯紧密装箱用于正向电压，则通常可以在颜色群组内具有共同的阴极是可接受的。

图11A和图11B分别示出了图9A的系统130的示意性等距视图和示意性特写横截面视图，其中去除了LED板28的上掩模层，以示出与LED管芯顶部进行电连接的迹线的细节。在图11B中清楚地指示出了金刚石散热器74在铜板基板的囊袋内的插入。在散热器74的底部和底座铜92中的囊袋顶部之间需要基本上没有焊料空隙的高导热性焊料，以优化热性能。金刚石散热器由化学气相沉积(CVD)的处理制成，并且被表征为在散热器平面上大约1800W/m-K的非常高的导热性，并且沿厚度方向大约为600W/m-K，这两种情况都比纯铜高出400W/mK。诸如台湾竹北市AWIN钻石科技有限公司等企业在商业上生产这样的产品。

图12A和12B分别表示LED板系统150的示意性等距视图和特写视图，该 LED板系统150不同于图9A的系统130之处在于它不包含金刚石散热器，并且 LED管芯由直接焊接而附接到基底铜层。尽管这种配置相对于最小化LED管芯结温从热性角度出发也不尽如人意，但由于金刚石散热器的高成本，所以这种配置表示显着的成本降低。否则，系统150的所有组件与图9A的系统130的那些相同。通常，通过诸如激光烧蚀的手段在LED管芯阵列区域中去除覆盖了基底铜层的电介质层，并且然后铜基底层涂覆有类似于铜迹线上的金属化，以允许LED管芯直接焊接到其上。

现在参考图13A和图13B，其中分别示出了包括光学锥体76和端镜102的系统160的示意性等距和隐藏线视图。直壁侧166、168、170和172汇接由方形侧162和164组成的较小的输入孔径78，以及包括相等长度的侧122和124 的较大的输出面。输入和输出面之间的距离影响输出孔径80处的光的均匀度和由于任何独立LED管芯或LED管芯的组合引起的远场分布，如下面详细讨论的。诸如蓝色和蓝绿色管芯的GaN LED管芯的漫反射率典型地大约为80％，白色 LED管芯的漫反射率更接近高的90百分比(除了被荧光粉部分地吸收并且然后作为较长波长的绿光和红光部分地向前散射的蓝光和较短波长的光之外)，并且红色LED管芯的漫反射率典型地大约为60％或更大。因此，在光的返回路径离开反射镜102时由LED管芯进行的与光的高漫反射耦接的大于大约90％的高反射率反射镜涂层102的组合导致脱离孔径80的辐射的增加。也就是说，在向出口孔径80的第一次通过时不发射的光具有重定向出孔径80的机会，从而增加在孔径80处发射的每单位立体角的每单位面积的功率。这种多次通过光的进一步的益处是它进一步使近场和远场分布两者均质化。在优选实施例中，锥体76 由诸如Schott N-BK7的低吸收、低成本玻璃制成。可以使用任何玻璃、结晶材料、塑料或硅树脂，鉴于其被表征为由LED管芯发射的波长的足够低的吸收和散射。然而，相对于其他材料，塑料的缺点在于由于暴露于蓝色和紫外波长的电离光子，塑料会随时间变黄。如前所述，如果反射镜102具有足够的高镜面反射率涂层，则反射镜102可以可替代地是分离的元件或者可以与锥体保持组件组合。可替代地，可以使用六边形横截面光学器件代替锥体76的方形横截面，或者甚至更高数量的非成像均质器，诸如八边形和更高，然而随着侧面的数量增加，外表面开始接近圆形横截面，其做不好以与光纤类似的方式径向混合。诸如三、五、七的奇数侧面混合也做得不好。此外，与更多数量的侧面的锥体相比，制造四侧面锥体要容易得多，并且成本更低。此外，更容易形成LED管芯的方形阵列，而不是六边形、八边形或其他数量的侧面，因此方形横截面是优选的形状。也可以从输入侧的方形向圆形输出侧转变，但是其难以制造，并且在混合时也做不好。

现在参考图14A和图14B，其中分别示出了锥体系统180在示意性等距和示意性等距隐藏线视图中的替代实施例，包括：四个对称的锥体192、194、196 和198，每个包括图13A的锥体76的输出面面积四分之一的输出面面积；以及相邻的直的混合部分光学器件182，其具有与图13A的锥体76相同的端镜102 和孔径80。每个锥体的比例较小的输入孔径200与LED阵列206配对，每个锥体一个，其面积相当于图7A的系统的LED阵列72的面积的四分之一。LED管芯阵列被示出为用于每个光学器件的九个管芯阵列，使得个别管芯尺寸将比例较小以实现相对于图7A的系统的阵列的相等管芯面积。图14A和图14B的每个锥体的输入孔径尺寸与输出孔径尺寸的比率基本上与图7A的光学锥体76相同并且长度为其长度的一半，这将导致在四个锥体192、194、196和198中的每个的出口孔径处的类似的近场和远场分布。具有彼此相互正交并平行于其相对侧的直侧面184和186的非锥体光学部分182的目的是在空间上混合每个锥体输出的相应近场，使得它们在出口孔径80处基本上均质化。反射镜102反射不离开孔径80的任何光，以在所有的锥体下向回传播，将其相应的LED管芯阵列向后漫反射并且有机会被重定向回到孔径80之外，从而以与图7A的系统 120描述的类似的方式增加辐射。系统180的优点超过图7A的系统120的优点在于，与图7的LED板28类似，四个LED阵列206中的每个的LED管芯在空间上在与它们将附接的LED板上扩散，但是具有四个囊袋以接受四个管芯阵列，使得进入LED板和散热器的热通量减少。例如，考虑在图10B的LED阵列72的中心处的LED管芯，其在所有侧面上都有两排LED管芯。中央管芯将具有比外部LED管芯更差的热状态，这是因为不含有另外的LED管芯热源的用于冷却的唯一路径直接进入LED板，因此图10B的阵列72的中心的最大LED管芯将处于更高的结温，从而减少热影响的输出功率和寿命。系统180超过图7A的系统120的主要优点是由于更好的热性能而导致增加了照明的辐射和维护，然而，缺点是更复杂和昂贵的系统，所以使用最好的一个的选择取决于系统性能和成本要求。系统180可以不比图7的系统120贵，这是因为由于空间上分离LED 管芯而导致的改进的热性能可以允许消除为昂贵组件的金刚石散热器74。因此，系统180可能更便宜并且具有相当或更好的性能。

现在参考图15A、图15B和图15C，其中分别示出了图14A的系统180的替代实施例的示意性等距、隐藏线和侧视图中的系统210。系统210包括与图 14A的系统180中描绘的那些相同的LED阵列和锥体，然而，其被耦接到具有输出孔径224的较小的直壁方形横截面光学器件220。在优选实施例中并在图 15E中详细示出的，存在额外元件212，其包括厚度类似于厚度大约为200μm 的显微镜盖滑动的薄玻璃板，具有四个独立孔径238、240、242和244，其可以是未涂覆的、在一个或两个侧面上涂覆有抗反射涂层或包括薄膜电介质光谱带通滤波器以优化或修改分别来自四个锥体192、194、196和198中的每个的光谱输出。额外元件还包括外部高镜面反射率涂层236，其延伸由侧面232和侧面 234限定的区域，除了包括四个孔径的区域。图15D示出了系统210的示意图上的端部，示出了元件212的侧面延伸超出锥体输出孔径的范围，以确保退出每个锥形输出的所有光的反射朝着它们相应的LED管芯返回，除了离开元件212 的相应孔径的光之外。每个相应的锥体的孔径不在锥体上居中，而是偏向内边缘。以这种方式，如果需要，甚至更大的锥体和LED管芯阵列可以与相同的收集和均质化光学元件218一起使用以产生更高的辐射，以牺牲壁插效率为代价。该系统将包括通过使用不同的窄光谱带通滤波器涂覆每个孔径238、240、242 和244，或者可替代地，邻近元件212的近端面的每个独立锥体的输出面而包括多光谱带源。例如，在优选实施例中，可以使用用于荧光显微镜激发的滤波器，其中对应于众所周知的荧光团DAPI、GFP、Cy3和Cy5的中心波长接近402nm、 490nm、555nm和645nm，其中光谱宽度分别为大约15nm、20nm、25nm和30nm FWHM的量级，诸如由包括纽约州罗彻斯特的Semrock公司的企业生产的那些。也可以使用许多其它组合，以及诸如分别在589nm的中心波长和宽18 nm的FWHM的TexRed。由于该系统与其他系统一样不使用任何二向色光束组合器，所以个别光谱输出可以重叠，而没有它们相对于彼此居中如何接近的问题，这是由于具有入射角的有限切割光谱特性而引起的结合二向色光束组合器的系统的限制，其中入射角可以在多达10nm至20nm或更多内从10％至90％的透射率转变，这在光谱带通中心之间施加最小的有效间隔。本领域技术人员应该清楚，可以输入到组合和均质化光学元件218的锥体和滤波器的数量不限于四个每个，而是可以根据需要进一步扩展到六个、八个、十个，等等，或者甚至减少到二个或三个，这是因为锥体不能具有矩形横截面而不是方形没有具体原因。然而，个别LED阵列和相应的锥体将成比例地更小，这是因为它们共享共同的输出集光率(面积)。然而，传统的二向色光束组合荧光光源中的损耗可能是非常重要的，因此尽管这样的系统不共享输出集光率，但是相对于图15A 的系统210，这些系统遭受更大的系统损耗、复杂性、尺寸和成本。

现在参考图16A、图16B、图16C和图16D的系统250，分别示出了图15A 的系统180的替代实施例的示意性等距视图、侧视图和两个顶视图，其中四个输入锥体252、254、256和258替代了图15A的系统210的锥体192、194、196 和198。输出远场强度分布和近场强度分布主要由给定锥体的输出与输入孔径尺寸的比率和总长度来确定，使得系统250的锥体的近场强度分布和远场强度分布两者基本上类似于系统210的锥体。然而，由于输入孔径和输出孔径的中心位置在向下看Z光轴的孔径平面中被远离系统的中心移位，所有个别相关联的LED管芯阵列被移位，使得它们之间针对系统250的距离大于系统210的距离。相应LED管芯阵列之间的这个增加的距离进一步改善了热性能，使得改善的热性能的进展从图14A的系统180移动到图15A的系统210、移动到图16A的系统250。这是由于以下事实：在相应的铜金属芯LED板上的个别阵列之间的更大的距离导致改善的热量的热扩散，使得进入相关联的散热器的热通量减少，这导致LED管芯结和相应散热器之间的较低的温差ΔT。这导致在每个相应的 LED管芯阵列中针对LED管芯的改善的温度影响的强度和寿命。图16C和图 16D示出了具有和不具有LED管芯阵列204的锥体252、254、256和258的顶部后示意图，分别指示出输入孔径相对于输出孔径移位，使得两个孔径共享两个正交侧面。对于本领域技术人员来说，输入孔径可以被移位甚至进一步偏离中心是显而易见的，然而，当位移增加超过指出的位移时，锥体的长度将增加，以便具有与来自镜面孔径212的孔径的类似的输出。元件212的反射孔径在元件212的外方形边缘和方形虚线的外边缘之间延伸。导致输出孔径224的元件218的镜面孔径226在虚线圆的外部和虚线方形的内部之间是反射的，这相当于组合和均质化光学元件218的输出面面积的大约25％，其与图15A的系统210 中的其功能相同。总之，图15A的系统210和图16A的系统250之间的唯一显着差异是系统250具有从中心光学器件和机械轴线偏心的输入锥体孔径，从而由于改善的热扩散而进一步改善热性能。

图17A和图17B分别示出了示意性等距隐藏线视图和顶部后视图中四个相同锥体之一的更多细节，在这种情况下为图16A的系统250的锥体254。图17A 的壁272和276都相互垂直于输入孔径270和出口孔径292。从顶视图图17B，输入孔径边缘260和262分别与输出孔径边缘290和288对齐。侧面274和278 相对于端面和两个侧面274和276是倾斜的。参考图17B，输入孔径270沿着对应于边缘284的投影的从顶点294延伸到296的线延伸被位移的程度可以变化。这两点越远，四个相应的LED阵列通过其进入锥体252、254、256和258的四个孔径越远，热条件变得越好。相对于最大化整体性能而言超过孔径中心可以移位的图17B中示出的距离有多远是有限的。例如，如果位移超过锥体长度的大约5％，则离开元件264的反射孔径的光量开始减小，这开始降低通过移位输入孔径实现的益处。

图18A的示意性顶视图系统300示出了从其输入孔径侧向下看通过透明锥体的镜面孔径226。为了清楚起见，图18B的元件212在图18A中未示出。还可以由诸如B270玻璃的透明材料制成的元件212具有沉积在除了中心孔径区域 302之外的一个面上的反射镜，该中心孔径区域302使来自每个相应相邻锥体的光通过。未示出镜面区域212在中间具有薄的横截面，取决于锥体对准和涂层缺陷其是可选的。图18C的系统310示出了图16A的系统250的顶部透明示意图，其中未示出LED管芯阵列。这示出了两个镜面孔径212和226的细节和相对位置。

图19A至图19E分别示出了图15A的系统210的替代实施例320的示意性等距视图、等距隐藏线视图、侧视图、具有LED管芯的端点视图以及不具有LED 管芯的端点视图。编号为322、324、326和328的系统320的四个锥体具有大于图15A的系统210的输出孔径尺寸与输入孔径尺寸的比率。在优选实施例中，系统320锥体具有大约为三的比率，导致大约20°半角的远场角度。沉积在输出面(大侧)上的多层介电带通涂层可以被设计成具有高达大约20°FWHM接受角，但是些许较大的FWHM接受角可能导致通带边缘处的较差的光谱转变，其是根据加宽的波长的截通(cut-on)和截止(cut-off)透射率。系统320的目的是允许具有清晰光谱透射率的高性能照明从低透射率到高透射率的转变，以提供适合于诸如用于显微镜或其它荧光或光谱学应用的光纤或液体光导耦合荧光激发照明的应用的照明。四个锥体322、324、326和328每个针对给定荧光应用的位置330处具有LED阵列，即，每个锥体被配置有不同的波长带LED管芯阵列，以提供总共一到四个激发光谱轮廓或更多(如果需要的话)，这是因为系统320可以被扩展到超过四个锥体。锥体每个都具有输入孔径侧尺寸332和 334，以接受LED发射到每个锥体的336附近的输入孔径中。反射镜元件338 具有侧面358和360的方形孔，用于定位接收公共反向锥体340以与包括多达四个不同光谱的四个锥体面面对面地对齐。反射镜元件338的第二功能是将不进入锥体340中的离开每个锥体的光反射回LED阵列，以允许光以与先前针对图15A和图16A的系统描述的类似的方式被重定向回出口锥体340外。反射镜孔径338被涂覆在面对锥体322、324、326和328的输出的背侧362上，其具有高反射率保护的宽带反射镜，其中镜面反射率为大约92％或更好。具有侧面 342和344的锥体340具有输入孔径尺寸与输出孔径尺寸的比率，以使远场角度回到与液体光导或光纤光束匹配所需的角度，其中优选实施例为大约二的比率。锥形光学器件340的输出面具有圆形发射孔径346，以基本上匹配光导输入孔径尺寸，并具有如前面描述的方形侧面350和352以及镜面部分348。在优选实施例中，五个输入锥体由诸如BK-7或熔融石英(Fused Silica)的高透射率玻璃制成，但也可以由允许真空沉积的多层膜或高反射率反射镜沉积在其输出面上的许多其它介电高透射率材料制成。在反向锥体340的输入面上涂覆所有四个带通滤波器可能是合理的，然而，这需要掩蔽以实现多个涂层，并且因此可能是更昂贵和更不灵活的方法。如果输入锥体的输出面被涂覆有带通激励滤波器，则可以将这些滤波器混合并匹配，选自超过二十种不同且普通的带通中心波长和宽度规格，其对应于各种众所周知的生物荧光团。对于大约三毫米的输出孔径和输入到大约二的输出面尺寸的锥体340的长度将为大约100mm，以获得足够好的混合远场分布。因此，对于需要从四个输入锥体输出大约20°或更小的半角的清晰光谱转变的要求导致相对较长的光路。然而，与使用二向色光束组合器的系统相比而言，它更紧凑且更不复杂。

现在参考图20，其中示出了图1的照明系统10的系统框图。被标记为“LED 模块”的虚线区域内的元件对应于图5A的系统100。在相同的LED金属核心板上，存在四种不同类型的LED管芯，包括由荧光粉涂覆的蓝色LED管芯、蓝色管芯、蓝绿色管芯和红色管芯组成的白色管芯。白色管芯提供大部分的发光强度，而蓝色管芯在光谱的短侧上平衡色温并且红色管芯在可见光谱的长侧上平衡色温。蓝绿色管芯填充蓝色激发光谱和荧光粉发射之间的光谱强度中的下沉 (dip)，其主要是绿色，并且在较小程度上是红色，但在蓝绿色区域通常非常低。光谱的蓝绿色部分在调节色温方面不起重要作用，但是需要将CRI带到手术照明应用的可接受的高水平，特别是具有直接人眼可视化的那些。具有反射孔径的锥体用于在光输出孔径处以高均匀度有效地将近场和远场两者中的四个不同的管芯光谱耦接到光纤束、光导或其他光学组件或系统中。金属芯COB LED板的温度由温度感测装置来监视，该温度感测装置在一个优选实施例中是负温度系数(NTC)型热敏电阻，其随着温度升高而电阻降低。电阻被转换为电压并读入信号处理器中。

其中进一步参考图20，LED光传感器包括光电二极管传感器和相关联的跨阻放大器，其将光电流转换成由信号处理器读取的电压。四个独立的LED电流源驱动四种类型的LED管芯(白色、蓝色、蓝绿色和红色)中的每个。调节每种颜色管芯的强度的控制信号可以采取几种形式，这是因为存在许多方法来控制强度以实现稳定的颜色性能。目的是允许用户在保持最大CRI的同时设置强度和CCT两者，并且在优选实施例中，保持这些参数随时间和温度改变。LED 管芯随着时间增加而改变辐射度和光度功率，这与结温和电流对管芯电极结构、外延层和反射层的影响有关。短期改变主要来自结温在数分钟到数小时或数天的时间尺度内的改变。在几个月到几年的时间尺度内，输出一般随时间推移而减少。控制的基本水平是基于初始特性，其光谱输出在强度和CCT的完全控制范围内根据电流和板温度而进行测量。这样的校准可以被用于生成使得用户可以拨入的查找表，或者可以使用图形用户界面(GUI)来设置每种颜色的水平以实现期望的光谱输出条件，即，在保持最大CRI的同时实现给定CCT的期望强度。这种方法在短期内可以很好地工作，但是将需要进行周期性的校准来调节给定电流下的减少的输出以用于LED管芯效率随时间的改变。更好的方法是使用一种手段来监视由四个相应光谱源中的每个发射的光功率，使得给定的光电传感器信号对应于对总光谱功率的实际功率贡献。存在许多用于监视每个光谱带中的光功率的配置和方法，包括：使用单个光电二极管、具有独立光谱带通滤波器或线性连续可变带通滤波器的光电二极管阵列，以对与四种发射器类型中的每一种的峰值光谱输出相对应的光谱的一部分进行采样，以及使用光栅、棱镜或其他光谱分散元件的光谱仪，以将光谱映射到直接或通过光纤耦合的线性光电二极管阵列或电荷耦合装置(CCD)。由于LED源的相应光谱发射之间存在光谱重叠，所以存在串扰，如果全部是同时直接被测量，则是不同LED源之间的耦合。这将针对任何连续DC信号禁止使用对所有四个光谱带具有光谱灵敏度的单个光电二极管。然而，如果使用众所周知的锁定检测技术，则可以容易地使用不具有滤波器的单个光电传感器。锁定技术包括：以不同的非谐波频率来调制四个信号中的每个、使用单个全光谱光电二极管或其他类型的高带宽光电传感器同时检测所有信号的总和并且根据众所周知的锁定检测技术而以不同的频率和相位测量每个信号的输出。可替代地，可以通过使用快速傅立叶变换(FFT)来计算复合信号的功率谱密度。该技术产生与四个LED类型的四个基波电流驱动频率相对应的频率与强度的四个不同的峰值。以这种方式，可以通过单个低成本光电传感器来连续监视四个色带中的每个的光度或辐射度功率。然后可以使用这些信号来关闭强度上的环路，以保持全光谱分布的恒定输出，使得可以补偿由于老化和温度导致的LED管芯性能的改变。该技术假设光电传感器响应随着时间和温度是恒定的，其在相关温度范围内基本上是真实的。快速傅里叶变换(FFT)是一种众所周知的算法，其可以基本上接近给定信号的功率谱密度(PSD)，并且可以由适度的计算机容易地计算。由于老化影响和温度变化引起的LED效率的变化发生在从几分钟到几年的长时间常数，因此该算法不需要在几毫秒内做出反应，但是可以像秒一样缓慢反应，并且仍然保持恒定的光谱光输出的出色工作。可以使用专用的数字信号处理器(DSP)，然而，非常小且便宜的微处理器是容易获得的，其可以轻松完成任务，以及基于小卡片的计算机。使用没有光谱带通滤波器的单个光电二极管的另一种方法是一次关闭除一个LED颜色源之外的所有，对光电二极管信号进行采样，并且然后改变为下一个等等。在任何一个的测量期间，其他三个样本的关闭时间可以是微秒级，并且样本之间的时间可以很长，几十或几百毫秒级，因此从观察者或标准相机的角度连续光输出没有可检测的改变，这是因为采样的占空比是如此之低。这要求将电流源设计成具有足够短的上升和下降时间，使得每个色带的采样时间非常短。幸运的是，它还需要足够高带宽的光电传感器，这些都是可容易实现的，其中电路元件可容易获得或可以容易地设计和制造。具有单个光电传感器的该脉冲采样方法也允许闭环强度控制。可以使用具有独立光谱带通滤波器的四个光电二极管的简单集合来代替单个光电二极管，使得可以连续读取信号，而不需要调制四个信号或脉冲采样。这种方法的缺点是光谱带通滤波器相对昂贵并且可能增加系统成本，并且在光电传感器之间存在串扰，这是因为例如蓝色带通将不仅对蓝色通道响应，而且还对蓝绿色和白色通道也响应。因此，期望对将需要多变量分析的相应信号进行去卷积，这是因为人们不会从仅仅蓝色光电传感器的输出知道，例如，如果信号的改变是由于三个重叠的光谱源中的任何一个的改变。可能需要超过四个分离的光谱带测量来成功地对信号进行去卷积。这是使用具有线性连续变化的光谱带通滤波器或光谱仪的光电二极管阵列的动机，两者都是更昂贵的解决方案，但是相对容易实施。通过对具有足够高数量的不同光谱位置的整个光谱进行采样，在保持高CRI的同时使用简单的差分算法来获得任何期望的强度和CCT是可行的。

图21A至图21F示出了三个独立源的情况下的功率谱密度FFT检测技术，然而，该方法可以被扩展到与照明源相关的任意数量。离散锁定通道的FFT方法的优点是，针对锁定方法，不同的锁定电路被用于每个驱动频率，其中FFT 可以被扩展到任何数量而不改变算法。因此，对于越来越多的通道使用FFT方法是更有效的，并且由于大多数装置包括某种形式的计算机或微处理器，所以使用FFT方法可以更具成本效益和可扩展性。图21A表示例如以每秒一千次循环的频率(Hz)驱动第一LED颜色的归一化方波调制电流信号。图21B表示类似的归一化方波调制电流信号，用于以每秒一千二百个循环的略高的基频驱动第二LED颜色。类似地，图21C表示归一化的方波调制电流信号，用于以每秒一千四百个周期的频率驱动第三LED颜色。如果需要，该技术可以针对给定光源系统、或者甚至针对每个独立的LED管芯进一步被扩展到独立光谱源的总数。为了清楚起见，在该示例中总共使用三个。图21D表示在单个图上的所有三个电流驱动波形，其中第一LED颜色由实线指示，第二LED颜色由点线指示，并且第三LED颜色由长虚线指示。图21E表示三个信号的数学总和，它们对应于在没有光谱带通滤波器的情况下监视单个光电二极管时示波镜上的信号看起来像什么。可以理解，这种看似随机化的信号很难理解。然而，图21F表示作为频率的函数的功率谱密度幅度。如上面描述的，可以使用FFT算法从图21E的时域变换为图21F的频域，对于这三个基本驱动频率是显而易见的。三个峰值中的每个的峰值强度与包括三个不同LED光谱的三个独立LED颜色中的每个的平均光功率成比例。基频可以被选择为足够高的频率，以便不引起人眼可见的强度调制，其具有大约250毫秒的响应时间、或标准视频，其中帧到帧的时间在大约为16ms或更多。优选地，如果应用仅用于视觉使用，或者可以使用照相机的应用，则驱动器频率比人眼的响应时间的倒数大大约10倍或更多。该方法是一种相对简单而优雅的信号处理技术，其使光学采样的成本最小化，并可以被扩展到大量的独立源。

图22A至图22H示出了单个离轴LED管芯的灰度级远场强度分布，两者都是从图5A的系统的锥体发射出来的，并且如通过标准五毫米直径之后将由最常用于腹腔镜照明的类型的两米长的光纤玻璃束观察到的，作为图5B系统的锥体 76的长度的函数，分别地针对长度为25mm、50mm、75mm和100mm的锥体。离开锥体的远场是在0°和玻璃内的截止角之间的角度范围内通过锥体的 LED光的多次反射镜反射的结果，其是其折射率的函数，对于诸如BK7的标准玻璃，从法线到锥体前表面的空气玻璃界面其大约为41.23°。这种万花筒效应导致针对逐渐更长的锥体的增加的反射，这导致点的增加的数量，并且因此，对于五毫米的出口孔径，从25mm的锥体长度移动到100mm的增加的远场均匀性。图22的灰度图像表示来自图5B的锥体76的输入孔径处的单个LED管芯的远场，这是因为其将在远场中出现，也就是说，如果离开锥体的照明允许发送到屏幕的距离大于发射孔径的直径的大约五十到一百倍，即至少大约250 mm至500mm远。光纤在切线方向上混合角度空间、即远场强度分布做得很好，但在径向上的角混合中做得不好。这通过以相对于光轴成一定角度将激光指针注入光纤而容易被观察到，并且注意到在输出处，环以一定距离被投射到屏幕上，这意味着光在切线方向上非常好地混合，并且在径向上非常差地混合。因此，重要的是在离开照明系统的远场中、即从图5B的系统的锥形光学器件的出口孔径处具有高度的均匀性。图22A和图22C的远场分布在分别通过如图22B 和图22D的灰度图像中示出的光纤后导致明显的不均匀性。对于锥体长度为75 mm的图22E的远场分布(其对应于锥体长度与输出孔径的直径的比率的值15)，导致几乎可接受的远场均匀性，如由图22F的离开光纤的远场的灰度图像示出的。100mm的锥体长度导致直接离开锥体并离开光纤的最高和非常可接受的远场均匀性，如由图22G和图22H的灰度图像指示出的。应当认识到，在各种应用中，不同的性能水平(例如，远场均匀性)可以是可接受的。因此，针对锥体长度与输出孔径的直径的比率，十或更小的值可以是可接受的。任何给定长度的远场的特定形状是LED管芯处于锥体的输入孔径的位置的函数。由于没有两个LED管芯可以占据完全相同的空间，因此给定长度锥体的不同颜色管芯的远场分布是不同的。因此，需要在远场中具有足够高数量的独立点，使得没有离开用于手术照明应用的光纤束的照明的色带，其替代使用LED照明的常规氙短弧灯。

图23的图分别表示分别针对25mm、50mm、75mm和100mm锥体长度通过用于图22B、图22D、图22F和图22H的灰度图像的中间的强度切片。

图24A表示可以被用在图5A的系统中的白色LED管芯的一种配置，其包括通过其中四个白色管芯被去除的五乘五个LED管芯阵列，以允许包括两个每个红色和蓝绿色LED管芯进行颜色优化。较大数量的白色管芯导致如图24B的灰度强度图像表示的高度均匀的远场。为了确保给定光纤束中的所有光纤看到类似的强度分布，还重要的是近场均匀性足够高并且基本上是远心的，也就是说，从锥体发射孔径的输出面处的任何给定点发出的射线的中心应该与所有位置的光轴类似并对齐。对于由图22G和图22H描述的100mm锥体长度，这种条件基本上被实现，其中高远场均匀性是明显的。图24C的灰度强度图像示出了图24A的白色LED管芯的分布结果，其如预期是高度均匀的。图24A至图 24L的所有图表示100mm的标称锥体长度。如预期的那样，在通过光纤束之后，远场是高度均匀的，以及由图24D的灰度强度图像指示出。图24E表示与图24A 的白色管芯结合使用的两个红色管芯的输入孔径处的相对位置，也分别示出了图24G和图24H中的高度均匀的近场和远场。同样，图24I表示分别与图24A 和图24E的白色和红色配置一起使用的两个蓝绿色管芯的相对位置。蓝绿色管芯的近场和远场也分别如图24K和图24L的灰度图像中示出的高度均匀。图24F 和图24J揭示出两个远场分布为180°异相，即图24F的光点被定位，使得其落在图24J的黑点中，并且反之亦然。然而，向下发送光纤束的切向远场混合效应导致所有三种颜色源的基本上相似的远场分布，因此在100mm的锥体长度处没有明显的色带。为了最佳的远场混合和均匀性，最好排列每个不同颜色的LED 管芯，使得其具有如图24A、图24E和图24I示出的高度的一个或两个折叠对称。颜色数量越多，满足对称目标就越困难。因此，对于最通常有用的配置，锥体更长通常更好，但是务必权衡与包装尺寸和成本的实际限制。

图25A表示在分别为25mm、50mm、75mm和100mm的锥体长度的图 5B的锥体输入处的单个离轴LED管芯的近场强度分布，并且还分别对应于图 22A、图22C、图22E和图22G的远场分布。该图示出了作为沿着五毫米出口孔径的直径的位置的函数的高度的强度均匀性。图25B表示与扩展尺度的图25A 相同的数据。当所有的近场分布都相当不错并且可以是可接受的时，100mm的长度是最好的。还清楚的是，这种应用的性能是由作为锥体长度的函数的远场均匀性要求驱动的，这是因为即使25mm长度，近场均匀性也是可接受的。

现在参考图26A，其中示出了包括三种不同类型的LED管芯的LED源的光谱功率分布，包括白色、蓝绿色和红色。由于由白色LED管芯发射的蓝色强度基本上与来自荧光粉的绿-红色发射成比例地固定，所以可以添加仅蓝色的第四 LED颜色以帮助平衡光谱，例如，如果生成的荧光粉的光量足以实现高CRI，但是需要或多或少的蓝色来转移CCT。图26A的分布对应于5700开尔文CCT、 98CRI并且饱和红色R9值为97。图26A的LED的峰值辐射度波长对应于大约 445nm的蓝色峰值，蓝-绿色峰值大约为485nm，典型白色峰值大约为555nm，并且红色LED峰值大约为630nm。最好的短弧氙灯的典型CRI为大约92或更小，并且R9可以远低于90，这是由于大于大约680nm的波长的滤波产生的，以防止红外线使组织干燥，所以这个LED源优于由行业标准的短弧氙灯可获得的CRI。可替代地，630nm的红色峰值波长可以使用峰值波长大约660nm的深红色LED代替，如图26B的图指示出的。然而，平衡颜色所需的红色的相对量 (相对于图26A)更大，但是仍然可以获得95的非常高的CRI和96的R9值。然而，在深红色中使用更多的光功率并不是很关注，这是由于深红色LED管芯相对于630nm的LED管芯更有效率，所以这种增加并不是以基本上更多的输入功率为代价。可替代的配置是在相同系统中使用630nm红色和更深的660nm 红色，这降低了两种红色LED管芯类型中每一种所需的相对量。图26C示出了其也导致近似完美的98的CRI和97的R9值。对于5700开尔文的CCT，对所有三个光谱进行了优化，其与由典型的短弧氙灯系统产生的CCT非常接近。如果需要，可以修改来自每个LED颜色的相对贡献以产生具有大约3500开尔文和8000开尔文之间的范围的最佳CRI的光谱，其对应于任何给定外科医生可能赞成的大致程度。

图27的示意性等距视图系统370示出了图7A的系统120的替代实施例，其包括具有被表征为不同的光谱的两个不同的LED管芯阵列371和414的两个相似的LED板28，使得二向色光束组合表面394可以耦合两个基本上光谱分离的LED源成一个公共孔径。这种方法优于图7A的系统120(其包括单个锥体) 的优点在于通过使用两个锥体和光谱合束元件，反向锥体400的发射孔径406 处的总光功率增加，这是因为现在存在两倍的LED管芯总数，这由于来自两个阵列的管芯每个都使用总可用的集光率而不是共享它。由第一LED阵列371发射的光例如由光谱的蓝色和蓝绿色部分组成，并且在输入孔径376处进入具有侧面378和380的锥体372，并且在大的发射孔径382处退出。发射孔径尺寸与输入孔径尺寸的比率类似于图19的系统320的收集锥体，以由于其对入射角的光谱波长灵敏度而优化二向色组合器394的光谱带通的斜率。反向锥形收集光学器件400(“反向锥体”)的功能类似于图19的系统320的锥体340，具有相同尺寸的输入和输出孔径和镜面涂层，但长度较短，这是因为它也不必具有与系统320的锥体一样的混合近场的功能。类似地，锥体374从具有比蓝绿色更长的颜色(即绿色、琥珀色和红色)的光谱内容的LED阵列414收集光到具有侧面386和388的入口孔径384以及出口孔径390。包括两个三角形玻璃元件 392和396的立方光束组合器不能在对应于382和390的输入面处进行折射率匹配，否则两个相应锥体的输出不是完全内部反射，并且光泄漏出系统。例如，从LED阵列371离开孔径382的蓝光和蓝绿光被发送通过光束组合器394，并且如果在390处存在折射率匹配，则在元件396的390处的击打侧直接进入锥体374。同样地，由锥体374发射的射线反射离开组合二向色表面394的光束，并且然后如果折射率与元件396匹配，则返回到其自己的出口孔径。另外地，在撞击光束组合器394之前由撞击孔径398的锥体374发射的射线将不会被完全内部反射，但是将直接通过输出锥体400的壁。因此，为了保持立方组合器内的光引导，它不与三个相应的锥体中的任一个进行折射率匹配，但是它在其相应的两个半部392和396之间是折射率匹配的，否则来自锥体372的光在涂层394附近的392的输出面处完全向上地内部反射，并且在392的顶部向上并向外指引，而不被引导朝向反向锥体400和出口孔径406。反向锥体400用于将由光束组合器发送的远场角度转换成内窥镜光纤束或类似应用所需的更大的角度。然而，与图19的系统320的反锥体的情况一样，不需要反向锥体来均质化近场，这是因为两个光谱源已经占据了可用的完整集光率。具有输入孔径398 和侧面402和404的反向锥体400具有与图5B的系统相同的输出孔径尺寸，具有基本上相似的输出孔径406和具有侧面410和412的镜面表面408，其用于将发射孔径外部的光反射回相应的源，在那里光具有额外的机会退出发射孔径 406。两个光谱带中的每个由光电传感器34监视，每个LED阵列一个。LED管芯的替代布置具有所有白色管芯或荧光粉涂层蓝色管芯，以在第一阵列371中产生宽绿光，这是因为最大比例的光来自绿色光谱。这种方法的优点在于认识到，与红色和琥珀色管芯的稍低的反射率相比而言，在LED阵列的返回路径上，荧光粉的非常高的漫反射率生成的光从荧光粉返回，这将导致荧光粉生成的光的更优化的效率。然后第二个阵列将具有蓝色、蓝绿色和红色的管芯，但由于它们需要的比例较低，这可能会导致整体性能提升。然后，光束组合器394务必反射除光谱的绿色部分之外的所有光，并且通过绿色。这是一个有点更复杂二向色涂层，但可以很容易地生产。

图28A和28B分别示出了图29的系统370的示意性侧视图，不具有和具有示出了光路的射线。图28B的射线路径416由LED阵列371发射并穿过包括392 和396的光束组合器立方体，好像它仅仅是具有从锥体372的输出孔径的直壁的延伸，并且被全内反射引导到反向锥体400的输入孔径398中。以与图6B的系统100的射线相似的方式，反射镜孔径408将不会离开发射孔径406的射线反射回到LED阵列371，在那里它们有机会被重定向回到孔径406之外，并且从而增加出射孔径406处的辐射。射线420被示出为从LED阵列414沿着光轴指引，反射离开二向色光束组合器表面394并进入反向锥体400且从发射孔径 406出来。以射线集合422为中心的射线以类似的方式反射离开394，并且部分地从发射孔径406发送离开，并被反射镜408部分地反射回阵列414，在那里它们漫反射回394离开阵列414并且随后具有另一机会从出口孔径406通过，从而增加光谱的长波长侧的辐射。如果需要，这种一般方法可以扩展到额外数量的LED阵列。

图29示出了系统430的示意性等距视图，其表示图27的系统370的替代实施例，其中存在两个额外的光束组合器和具有收集光学锥体的两个额外的相关联的LED阵列。四个不同的LED阵列435、437、432和434每个位于不同的 LED板28上，每个LED板28分别具有相关联的锥体372、374、438和436，分别具有输入孔径376、384、452和454。每个收集锥体和反向锥体400及其所有相关联的部件的功能与图27的系统370的功能相同。每个锥体具有相关联的光电传感器34，以监视其相应的LED阵列中的每种颜色型LED管芯的输出。通常，它更容易并且导致具有二向色光束组合器、也被称为二向色光束分离器的更好性能，使得它们通过更长的波长并反射更短的波长。因此，虽然可以使颜色的任何组合起作用，但是使LED阵列435成为最长波长是有效的，其对于应用于内窥镜手术照明或手术前大灯将是红色的(其可以以660nm和630nm 为中心的LED)和琥珀色的，其可以是大约590nm的直接LED发射或者从荧光粉发射到大约580nm至590nm的峰值。然后，LED阵列437为绿色，其可以是直接绿色或荧光粉生成的。通常，没有高效的绿色LED源可用，其中以大约555nm为中心直接发射，在那里人眼具有其最高的灵敏度，因此这些波长从诸如铈YAG或锶硫代镓酸盐(例如，铈)的荧光粉生成。LED阵列452将分别以大约505nm和485nm为中心的直接LED青色和蓝绿色发射。LED阵列434 将是蓝色的，其可以由具有峰值辐射度发射的蓝色LED管芯的范围组成，该峰值辐射度发射以在475nm附近下至大约445nm为中心。这些波长中的任何一个可替代地由市售的蓝色至红色荧光粉产生，并且非常高的壁插效率紫外LED 可以被用作激发，以及用于更长光谱的蓝色LED或绿色LED。然而，标准无机 LED荧光粉的一个缺点是荧光粉通常具有相对宽的光谱发射，其中FWHM大约 40nm至80nm。这可能由于以下事实而导致较低的效率：将发送红色和琥珀色并反射绿色的独立二向色光束组合器395、将发送红色、琥珀色和绿色并且反射青色和蓝绿色的光束组合器397、以及将发送将被反射的蓝色以外的所有波长的光束组合器399将具有清晰的光谱转变，这将切断带外荧光粉发射。示出巨大前景的新型荧光粉被称为纳米荧光粉。纳米荧光粉具有大约为20nm至30nm 的相对窄的发射光谱宽度，其可比较或者在某些情况下比直接LED发射更窄。另外，由于纳米颗粒远小于激发光的波长，所以光散射的量是可忽略的。使用标准的无机LED荧光粉，多达50％或以上的发射的光以基本上由LED管芯重新吸收的向后方向散射，从而导致显着的光功率损耗。由于相对不太重要的散射，纳米荧光粉不会由于后向散射而损失相同的功率。即使将磷光或荧光发射到球体中或者是2π球面度的立体角，被向后指引回LED管芯并随后被漫反射的发射也不会由于在途中的纳米荧光粉离开纳米荧光粉涂层而造成遇到散射损失。一些最近开发的纳米荧光粉是稳定的，并且具有低的热淬火，并且因此作为这种类型的应用的荧光粉是强劲的候选者。这些纳米荧光粉在360nm和405 nm之间的UVA紫外光谱区域中也具有高的激发效率，在那里现在存在许多非常高的壁插效率UV LED可用。与针对图27的系统370讨论的相同的关于使用导致输出半角远场在大约20°或更小的锥体输出与输入比率的讨论这里也适用于系统430。将光谱分解成不同区域并使用二向色束组合器因此不同光谱区域之间不共享集光率的进一步的优点是，LED阵列及因此的热源在空间上分离，这导致更好的热性能，并且因此降低结温并延长LED管芯的寿命。

现在参考图30A和图30B，其中分别示出了图29的系统430的不具有和具有示出的射线的示意性侧视图。参考图30A，本领域技术人员应当理解，LED 阵列432可以从示出的方向被定位180°，使得其位于LED阵列435和输出孔径406之间运行的水平轴的顶侧。这将表示热性能的进一步改进，这是因为较大的散热器然后可以被用于LED阵列437和434，然而，务必考虑热效益以防止增加的封装复杂度、尺寸和成本。此外，不需要所有的LED源都位于同一平面中，例如LED阵列432可以从示出的位置被定位到页面九十度中，并且LED 阵列434可以从示出的位置被定位在页面90°之外，但是再次必须相对于复杂性、尺寸和成本考虑而考虑热效益。此外，方形横截面耦合光导440和446室可以被制造得更长，以进一步扩散出热源，但这使整个包装尺寸更长。不同路径的远场混合主要是收集锥体372、474、438和436以及反向锥体400的函数，但是由直的部分440和446可忽略地影响。近场受到元件440和446的长度的影响，然而，近场已经足够均匀，以不受益于进一步的长度，因此，耦合光导 440和446的长度应该由除了LED阵列437、432和434的独立LED板和相关联的散热器所需尺寸的任何尺寸确定，这没有实际的原因。本领域技术人员应当理解，可以消除元件440和446，这将使LED阵列居中到如由构成立方光束组合器的棱镜元件(即元件392、496、442、444、448和450)的尺寸确定出的中心距离。一个实施例具有这些元件相互接触但没有折射率匹配并且将三个不同的LED阵列384、432和434都放置在相同LED板上。可替代地，离出口孔径406最远的阵列可以使用光束组合器上的镜面涂层而不是二向色涂层。这将允许将所有LED阵列被放置在单个LED板上，这可以降低成本并减少封装尺寸，假设它对于给定的应用从热的角度表现良好。图30B示出了与图30A的系统430 相同的视图，其中从LED阵列435发射射线456，发送通过组合器395，穿过三个光束组合器，并耦合光导440和446，好像它们是从表面382延伸到398的单个方形横截面光管，并且然后通过反向锥体400以及出口孔径406或由反射镜408反射以将行程返回到LED阵列435，并且然后向后返回到出口孔径406。射线458离开LED阵列437，反射离开光束组合器395，并且然后遵循朝向由射线465表示的出口孔径406的类似路径。从LED阵列437到达的反射回离开反射镜408的光的一部分通过光束组合二向色涂层395被指引回到LED阵列 437，在那里它以与上述其他实施例描述的相似方式漫反射向后回出口孔径406 以增加辐射。类似地，来自LED阵列432的射线462反射离开光束组合器397，通过光束组合器399发送到反向锥体400中，并且部分地离开孔径406并且通过反射镜408部分地反射回到LED阵列432，并且然后沿着类似的路径在另一时机漫反射回来，以通过由射线464表示的出口孔径406。射线466反射离开光束组合器399，并向下通过反向锥体400，并且然后部分地发射离开由射线468 表示的孔径406，并部分反射以用于到LED阵列434的额外通路。

由图31A和图31B表示另一个实施例，其分别示出了使用与图5A和图5B 的系统100相同的锥体的系统470的示意性等距视图和侧视图，其中三种不同颜色的LED阵列471、473和475分别与成像透镜472和474、反射镜476和二向色光束组合元件478和480组合，以将三个锥体的出口孔径成像为输入孔径 484处的单个光导482。在一个优选实施例中，透镜是非球面的，以最小化由于球面像差造成的损失。考虑到二向色涂层的角度依赖性，两个透镜的第一集合成像到无穷远，以使通过光束耦合器的发散角最小化，并且两个透镜的第二集合相同，但是第一个的镜像对于所有三个光束路径是共同的，并且将三个出口孔径成像到纤维束482的输入孔径484。再次，最长波长的LED阵列是471。射线486反射离开转向反射镜476，穿过两个长通二向色光束耦合器478和480，并且被成像到484。LED阵列473的射线488被反射离开光束组合器478，穿过 480并被向下成像到光纤束482的入口孔径484。同样地，射线490离开LED 阵列475及其相关联的出口孔径80，反射离开二向色光束组合器480并且被向下成像到孔径484。每个相应锥体的反射镜102用于以与图5A的系统100描述的相同的方式增加来自每个锥体的辐射。这种方法优于使用图29的光管光束组合器的一个优点在于，通过二向色光束组合器可以获得的低得多的发散角导致增加的清晰度，即从低到高透射率作为波长的函数的更快的转变，其允许针对每个LED阵列的更高的耦合效率。由于针对每种颜色的透镜472和474的第一集合的聚焦位置可以被转移，所以用于每个LED阵列的透镜系统，即收集侧上的透镜元件472和474的对称集合以及图像会聚侧上的反向透镜元件474和 472，不需要在很大程度上进行颜色校正，使得它们全部重叠并且在光纤束482 的孔径484处聚焦。对于该系统，如图30A和图30B描述的，没有必要所有的 LED源位于同一平面上，然而，如果这样做，则可能对应于最紧凑的布置。如果需要，可以使所有LED阵列471、473和475位于单个金属芯板上；然而，中心到中心间隔根据透镜474的直径被限制，其继而受到通过二向色光束组合器的发散角的影响。透镜474的直径可以减小直到它们导致通过光束组合器相对于光轴的20°半角发散入射的量级。透镜可以由感兴趣的光谱范围内具有高透射率和低荧光的任何玻璃制成。然而，塑料透镜的成本较低，并且使能更容易地使用非球面来进行球面像差校正。透镜可以在LED的适用光谱范围内进行抗反射涂覆。

Claims (25)

1.一种发光二极管LED光源，包括：

至少一个LED管芯；以及

锥形收集光学器件，其具有在第一端处的输入孔径、在第二端处的输出孔径和长度，所述输入孔径与所述至少一个LED管芯光学连通以从其接收光，所述输出孔径由在所述第二端处布置的反射表面中的非反射圆形区域限定，其中入射在所述孔径处的被发送通过所述锥形收集光学器件的光从所述锥形收集光学器件的第二端发射，并且其中入射在所述第二端处而不是所述孔径中的被发送通过所述锥形收集光学器件的光被反射回到所述锥形收集光学器件中，

其中所述锥形收集光学器件的长度与所述输出孔径的直径的比率具有至少为十的值，并且

其中所述至少一个LED管芯包括至少一个LED管芯对，其中所述对中的每个LED管芯具有相同的颜色，并且与所述对中的另一个LED管芯关于所述锥形收集光学器件的输入孔径呈径向相对布置。

2.根据权利要求1所述的LED光源，其中所述反射表面被布置在前表面反射镜的表面上，并且其中所述前表面反射镜被定位成使得所述反射表面邻近所述锥形收集光学器件的第二端被布置。

3.根据权利要求1所述的LED光源，其中所述反射表面形成在所述锥形收集光学器件的第二端上。

4.根据权利要求1所述的LED光源，还包括光纤束，其输入孔径与所述锥形收集光学器件的输出孔径相邻，并且其中所述光纤束的输入孔径的直径近似等于所述锥形收集光学器件的输出孔径的直径。

5.根据权利要求1所述的LED光源，其中所述锥形收集光学器件具有多个侧面，每个侧面从所述第一端延伸到所述第二端，所述LED光源还包括光电传感器，其具有通过所述侧面之一的视场，并且被配置为响应于接收到的光功率而生成光信号。

6.根据权利要求1所述的LED光源，其中所述至少一个LED管芯是以矩形配置布置的多个管芯。

7.根据权利要求1所述的LED光源，其中所述锥形收集光学器件具有四个侧面。

8.根据权利要求1所述的LED光源，其中所述至少一个LED管芯包括多个LED管芯，其具有白色LED管芯、蓝色LED管芯、蓝绿色LED管芯和红色LED管芯中的每个的至少一个。

9.根据权利要求1所述的LED光源，其中所述至少一个LED管芯包括多个LED管芯，其包括具有第一颜色的至少一个LED管芯和具有第二颜色的至少一个LED管芯，并且其中由具有第一颜色的至少一个LED管芯发射的光的强度和由具有第二颜色的至少一个LED管芯发射的光的强度是独立可控的。

10.根据权利要求9所述的LED光源，其中所述第一颜色是来自由绿光、蓝绿光和蓝光以及红外光所组成的群组的颜色。

11.根据权利要求9所述的LED光源，其中所述第一颜色包括红外光。

12.根据权利要求11所述的LED光源，其中所述红外光的波长在700nm至980nm的光谱范围内。

13.一种发光二极管LED光源，包括：

多个LED管芯；

多个锥形收集光学器件，每个具有在第一端处的输入孔径、在第二端处的输出孔径和长度，所述长度与所述输出孔径的直径的比率具有至少为十的值，所述输入孔径的每个与所述多个LED管芯的子集光学连通以从其接收光；以及

组合和均质化光学元件，其在与所述锥形收集光学器件的第二端相邻的第一端处具有输入孔径，所述组合和均质化光学元件具有由被布置在与所述第一端相对的第二端处的反射表面中的非反射圆形区域限定的输出孔径，其中入射在所述孔径处的被发送通过所述锥形收集光学器件以及组合和均质化光学元件的光从所述组合和均质化光学元件的第二端发射，并且其中入射在所述组合和均质化光学元件的第二端处而不是所述孔径中的被发送通过所述锥形收集光学器件以及所述组合和均质化光学元件的光通过所述组合和均质化光学元件以及所述锥形收集光学器件向后反射，

其中所述至少一个LED管芯包括至少一个LED管芯对，其中所述对中的每个LED管芯具有相同的颜色，并且与所述对中的另一个LED管芯关于所述锥形收集光学器件的输入孔径呈径向相对布置。

14.根据权利要求13所述的LED光源，其中，所述锥形收集光学器件中的相应一个的第二端处的每个输出孔径被涂覆以形成光谱带通滤波器。

15.根据权利要求14所述的LED光源，其中每个光谱带通滤波器的光谱带通不同于其他光谱带通滤波器的光谱带通。

16.一种发光二极管LED光源，包括：

具有第一光谱的至少一个第一LED管芯和具有第二光谱的至少一个第二LED管芯，其中所述第一光谱与所述第二光谱不同；

第一锥形收集光学器件和第二锥形收集光学器件，其每个具有长度，在分别与所述至少一个第一LED管芯和所述至少一个第二LED管芯光学连通的第一端处具有输入孔径以接收来自其的光，并且在第二端处具有输出孔径，其中所述长度与所述输出孔径的尺寸的比率具有至少为10的值；并且

光谱合束元件，其具有与所述第一锥形收集光学器件的输出孔径连通的第一输入孔径、与所述第二锥形收集光学器件的输出孔径连通的第二输入孔径、以及输出孔径，用于提供分别从所述第一锥形收集光学器件和第二锥形收集光学器件的输出孔径发射的来自所述至少一个第一LED管芯和所述至少一个第二LED管芯的光的组合，

其中所述至少一个第一LED管芯和所述至少一个第二LED管芯之一包括至少一个LED管芯对，其中所述对中的每个LED管芯具有相同的颜色，并且与所述对中的另一个LED管芯关于所述锥形收集光学器件的输入孔径呈径向相对布置。

17.根据权利要求16所述的LED光源，还包括反向锥形收集光学器件，其具有与所述光谱合束元件的输出孔径光学连通的第一端处的输入孔径以及第二端处的输出孔径，其中所述反向锥形收集光学器件的输入孔径的尺寸大于所述反向锥形收集光学器件的输出孔径的尺寸。

18.根据权利要求16所述的LED光源，还包括反向锥形收集光学器件，其具有被布置在所述第二端处的反射表面，其内具有非反射圆形区域以限定孔径，其中入射在所述孔径处的被发送通过所述反向锥形收集光学器件的光从所述反向锥形收集光学器件的第二端发射，并且其中入射在所述第二端而不是所述孔径中的被发送通过所述反向锥形收集光学器件的光被向后反射到所述反向锥形收集光学器件中。

19.根据权利要求16所述的LED光源，还包括：

至少一个成像透镜，其被布置在每个锥体的第二端和所述光谱合束元件的第一输入孔径和第二输入孔径中的对应的一个之间；以及

至少一个成像透镜，其与所述光谱合束元件的输出孔径光学连通，其中来自所述至少一个第一LED管芯和所述至少一个第二LED管芯的光在所述光谱合束元件处基本上被校准。

20.根据权利要求16所述的LED光源，其中所述光谱合束元件包括二向色表面。

21.一种发光二极管LED光源，包括：

锥形收集光学器件，其具有在第一端处的输入孔径、在第二端处的输出孔径和长度，所述输出孔径由被布置在所述第二端处的反射表面中的非反射圆形区域限定，其中入射在所述孔径处的被发送通过所述锥形收集光学器件的光从所述锥形收集光学器件发射，并且其中入射在所述第二表面处而不是所述孔径中的被发送通过所述锥形收集光学器件的光被向后反射到所述锥形收集光学器件中；以及

LED阵列，其与所述锥形收集光学器件的输入孔径光学连通，所述LED阵列具有以多个列的LED管芯和多个行的LED管芯布置的多个LED管芯，所述LED管芯的每个发射与关于所述锥形收集光学器件的输入孔径呈径向相对的LED管芯相同颜色的光，并且其中所述多个LED管芯发射至少两个不同颜色的光。

22.一种控制发光二极管LED源的颜色的方法，所述方法包括：

对于包括具有第一颜色的至少一个第一LED管芯、具有第二颜色的至少一个第二LED管芯和锥形收集光学器件的系统，所述锥形收集光学器件具有在第一端处的输入孔径、在第二端处的输出孔径和长度，所述输入孔径与所述至少一个第一LED管芯和第二LED管芯光学连通以从其接收光，所述输出孔径由被布置在所述第二端处的反射表面中的非反射圆形区域限定；

以第一频率调制从所述至少一个第一LED管芯发射的光的强度并以第二频率调制从所述至少一个第二LED管芯以所述第二颜色发射的光的强度；

检测在所述第一频率和第二频率处调制的光；

从检测到的光确定来自所述至少一个第一LED管芯的光的强度和来自所述至少一个第二LED管芯的光的强度；并且

响应于确定出的强度来控制来自所述至少一个第一LED的光和来自所述至少一个第二LED管芯的光的强度，

其中所述至少一个第一LED管芯和所述至少一个第二LED管芯之一包括至少一个LED管芯对，其中所述对中的每个LED管芯具有相同的颜色，并且与所述对中的另一个LED管芯关于所述锥形收集光学器件的输入孔径呈径向相对布置。

23.根据权利要求22所述的方法，其中从所述检测到的光确定来自所述至少一个第一LED管芯的光的强度和来自所述至少一个第二LED管芯的光的强度包括对响应于所述检测到的光的信号执行锁定检测处理。

24.根据权利要求22所述的方法，其中从所述检测到的光确定来自所述至少一个第一LED管芯的光的强度和来自所述至少一个第二LED管芯的光的强度包括对响应于所述检测到的光的信号执行快速傅里叶变换。

25.根据权利要求22所述的方法，其中以第一频率调制从所述至少一个第一LED管芯发射的光的强度并且以第二频率调制从所述至少一个第二LED管芯以所述第二颜色发射的光的强度包括：调制所述强度，使得所述至少一个第一LED管芯和所述至少一个第二LED管芯中只有一个具有非零强度。

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