半導體激光在學生近視防控中的應用 ①

杜 旭, 姜天岳, 李 宏

(佳木斯大學a.信息電子技術(shù)學院;b.附屬第一醫(yī)院,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

近視是常見眼病，在中國，青少年近視情況呈急劇增長態(tài)勢[1]，所以，研究出一種安全、有效的方法或儀器對于防控青少年近視具有積極的意義。目前，通過激光技術(shù)改善眼角膜屈光度的方法,在臨床個案已經(jīng)得到了成功應用。

在醫(yī)學上，低能量激光技術(shù)的出現(xiàn)[2]，為近視的安全治療及防控提供了可能。激光醫(yī)學屬于交叉科學，不僅涉及到了工學的電子技術(shù)，還包括了生物科學及臨床醫(yī)學等學科領(lǐng)域。對于眼屈光不正這類醫(yī)學問題，就可以依靠激光醫(yī)學方法來解決。在某種程度上治療老視，國際上采用了激光或準分子激光等方法矯治遠視[3,4]。Derse M.等發(fā)現(xiàn)[5]利用激光的熱效應，激光產(chǎn)生的熱能可被角膜組織有效吸收，從而使角膜在激光處理區(qū)基質(zhì)膠原纖維長度熱收縮,角膜外表面的屈光度增加、角膜中央曲率半徑減小。Seiler首先提出，應用脈沖激光[6],角膜淺層皺縮較深層基質(zhì)明顯，基質(zhì)深部后50微米角膜層范圍不會被損傷[4]。

氦氖激光技術(shù)出現(xiàn)最早，技術(shù)成熟，但是需要高直流電壓且波長受限。比較而言，半導體激光器則體積小、可靠性高、功耗低、能發(fā)出多種波長的光[7]。文中采用了半導體激光技術(shù)來治療青少年近視，經(jīng)過實驗，表明文中所采用的方法對于青少年近視的改善具有明顯作用。

1 半導體激光近視防控儀

半導體激光器是20世紀60年代發(fā)展起來的一種激光器，它是以半導體材料為工作物質(zhì)的激光器，工作物質(zhì)包含砷化鎵、硫化鎘等有幾十種，主要有光泵式、電注入式、高能電子束激勵式三種激勵方式。

半導體激光器工作原理是：通過一定的激勵方式，在半導體物質(zhì)的能帶之間，或者半導體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)能級之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復合時便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。半導體激光器具有：體積小、重量輕、成本低、波長可選擇的特點，在加工制造、通訊、臨床、軍事領(lǐng)域有廣泛應用[8]。

半導體激光器驅(qū)動電流和工作溫度影響其輸出功率，而輸出功率是近視防控應用中的一個重要指標，所以半導體激光器的功率調(diào)節(jié)是本項目研究的一個重要內(nèi)容。因為本項目應用場合一般為室內(nèi)，且每次使用時間較短，所以激光器的溫度變化比較小，對輸出光功率影響很小，則本項目不需要溫度控制電路。

半導體激光器電學特性與常見二極管類似，是由電流驅(qū)動。為保證功率的穩(wěn)定輸出，所以要求驅(qū)動電流的穩(wěn)定性要高，因此一般采用恒流源驅(qū)動激光器。

1.1 系統(tǒng)模塊

針對眼周穴位的不同，在設(shè)計中，每只眼睛周圍設(shè)計安裝9只、整體共18只Φ6mm半導體激光器?？刂齐娐分骺匦酒捎肧TC單片機，外圍電路由PWM恒流驅(qū)動模塊、LED顯示模塊、按鍵模塊、電源模塊組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

系統(tǒng)通過按鍵可以調(diào)節(jié)激光管的發(fā)射功率和使用時間調(diào)節(jié)。功率分為高中低三檔，定時時間為10、20、30分鐘三種并通過LED指示燈進行顯示。系統(tǒng)可以使用普通直流電池供電，且提供了MINI-USB電源接口和5V直流電源，可在市電220V電源環(huán)境下使用；另外，通用USB接口也可以插接到充電寶上，提高了設(shè)備的便捷性，可以隨時隨地使用。

圖1 半導體激光控制電路結(jié)構(gòu)框圖

1.2 單片機主控模塊

本設(shè)計主控芯片采用常見的STC89C52 單片機，其P1.1 口作為PWM 信號的輸出端，P0.0、P0.1口連接S1、S2按鍵模塊，外圍匹配晶振電路和復位電路。單片機最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

1.3 恒流驅(qū)動模塊

采用德州儀器公司的TPS54200恒流芯片驅(qū)動18只半導體激光器，其具有集成度高的特點，降低獨立元件驅(qū)動電路的復雜性和不穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)激光功率大小的改變，需改變驅(qū)動電流大小，即改變芯片內(nèi)部與PWM占空比成比例的基準電壓。該芯片集成了場效應晶體管，輸出電流達1.5A，帶鎖存、關(guān)斷功能，具有熱和過流等完善的功能。

脈寬調(diào)制具有精確度高、可以和數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合、能夠通過軟件方式實現(xiàn)等優(yōu)點，其波形如圖3所示。PWM輸出是由單片機內(nèi)部定時器產(chǎn)生。當TPS54200芯片開始工作時，PWM電壓需高于其閾值電壓，在此設(shè)定內(nèi)部基準電壓為200mV。由于PWM占空比正比于內(nèi)部基準電壓，因此通過改變PWM占空比即可改變基準電壓，從而實現(xiàn)FB引腳輸出電壓改變。計算經(jīng)過電阻R6的電流可得出激光器的驅(qū)動電流，計算如公式(1)所示：

(1)

其中，IL為激光器驅(qū)動電流，VFB為基準參考電壓，D為PWM的占空比，R6為采樣電阻。當PWM頻率過低時，可能會在電壓基準處產(chǎn)生較大的紋波，所以單片機PWM輸出頻率設(shè)計為50kHz[9]。

圖3 PWM 脈寬調(diào)制波形圖

1.4 按鍵與顯示模塊

按鍵模塊由S1和S2兩個按鍵組成，分別為S1為開關(guān)機和三檔功率調(diào)節(jié)共用按鍵，按下兩秒，系統(tǒng)開機后默認上一次功率檔位，S2為定時時間調(diào)節(jié)按鍵。顯示模塊由6個LED作為三檔功率和三個定時時段的顯示。電路如圖5 所示。

2 實驗分析

在實驗中，本項目選擇紅色半導體激光器，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 半導體激光參數(shù)

針對典型青少年近視人員，使用文中所設(shè)計半導體激光近視防治儀進行測試，測試中分別對青少年的左右眼進行，記錄了測試前的左右眼屈光度數(shù)據(jù)及治療后的左右眼屈光度數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如表2所示，實驗結(jié)果表明該儀器能夠有效改善青少年眼球的屈光度，青少年近視情況得到有效控制。

表2 半導體激光近視防控測試數(shù)據(jù)對比

圖4 恒流驅(qū)動電路

圖5 按鍵和顯示模塊電路

3 結(jié) 論

文中設(shè)計了一種防治青少年近視的半導體激光儀，該激光儀避免了氦氖激光的缺陷，采用半導體、脈寬調(diào)制恒流驅(qū)動及信息技術(shù)來實現(xiàn)。實驗表明，該半導體激光儀能夠有效改善青少年眼球的屈光度，起到防治青少年近視的作用，對于青少年眼病的臨床應用具有一定的參考意義。但是，該激光儀波長固定，還有待于進一步的研發(fā)。