CN105805577B - 对被照面进行可控间歇均匀照明的照明系统 - Google Patents

对被照面进行可控间歇均匀照明的照明系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对被照面进行可控间歇均匀照明的照明系统。包括外壳、快门和沿同一光轴依次安装在外壳中的蓝光LED、第一光阑、第一透镜、第二光阑和第二透镜，快门安装在第二光阑处，快门与快门驱动电路连接，蓝光LED发出的光依次经第一光阑进光控制、第一透镜折射、第二光阑和快门进光控制、第二透镜折射后出射。本发明实现了对目标平面的周期间歇性照明，能对光遗传学的细胞激活进行照明和检测，并且可方便拆卸，方便对元件进行检查、更换以及系统的扩展或重组，也降低了照明时间控制的成本，应用广泛。

Description

对被照面进行可控间歇均匀照明的照明系统
技术领域
本发明属于光学系统设计领域，特别是涉及了一种对被照面进行可控间歇均匀照明的照明系统，构建了均匀照明光学系统并加入了电子控制模块以实现相应的照明时间控制功能。
背景技术
在遗传学细胞激活检测中，需要得到间歇式的目标平面上的均匀光强的照明。在现有的商用产品中，没有将间歇式照明与均匀照明相结合的产品。因此我们将柯拉照明与间歇式控制结合起来，以构成简单实用的间歇式均匀照明系统。
在本实用发明中，我们利用单片机输出矩形波来驱动快门的开合，使得被照面上能够得到间歇式照明。其中照明周期以及照明时间可以通过修改单片机驱动程序任意修改。
对于均匀照明方案来说，4f系统较柯拉照明系统系统总长较短，结构简单且容易理解，但是我们最终选择了柯拉照明系统作为照明方案。原因如下：
对于4F系统来说，实际上只是将光源放在透镜的焦点，通过透镜变换成平行光照射在被照明面上。由于光源是扩展光源，因此出射平行光必然有不同的角度，无法在出射面上得到均匀照明。利用光学仿真软件ASAP，我们对两种方案进行了建模。下面我们将结合仿真结果对两种方案进行对比说明。
4F系统的总长较小，可极大地缩小照明系统需要的空间。但是从仿真结果看光线较为散乱，由于光源为扩展光源而非点光源，故其光源像成于无穷远处并且在有限远处也会有一定的光源像呈现。该系统的照明面积较大，但光强分布不均匀，光源的缺陷会在照明面上显现出来。仿真结果如图1和图2所示。
在实际搭建的系统中，由于LED光源的外围有一圈特别亮的光环，因此在被照明面上会表现出外围很亮的光晕。实际照明效果图3所示。可见，虽然4F系统结构简单，系统总长短，但是并不能达到对被照明面均匀照明的要求。
发明内容
为了能够解决判别细胞激活过程所需要的光照，本发明提供了一种对被照面进行可控间歇均匀照明的照明系统，实现对目标平面的可控均匀照明，可用于对光遗传学的细胞激活进行检测，但由于其组装方便，变量可控，也可广泛应用在基于柯拉照明原理上的很多场合。
本发明发明解决其技术问题所采用的方案是：
本发明包括外壳、快门和沿同一光轴依次安装在外壳中的蓝光LED、第一光阑、第一透镜、第二光阑和第二透镜，快门安装在第二光阑处，快门与快门驱动电路连接，蓝光LED发出的光依次经第一光阑进光控制、第一透镜折射、第二光阑和快门进光控制、第二透镜折射后出射。
所述的外壳包括依次同轴相衔接安装的第一套筒、开槽套筒、第二套筒、第三套筒、第四套筒和第五套筒，蓝光LED安装在第一套筒的尾端，第一光阑安装在第一套筒的头端和开槽套筒的尾端之间，开槽套筒内安装有第一透镜，第一透镜沿开槽套筒轴向活动移动，开槽套筒的头端经第二套筒与第三套筒的尾端连接，第二光阑安装在第三套筒的头端和第四套筒的尾端之间，第四套筒头端与第五套筒固定连接，第二透镜安装在第四套筒或第五套筒内。
所述外壳中安装的各个光学元件满足以下关系：
其中，L1为光源至第一透镜的距离，L2为第一透镜至第二光阑的距离，L3为第二光阑至第二透镜的距离，L4为第二透镜至被照面的距离，f1为第一透镜的像方焦距，f2为第二透镜的像方焦距。上述的距离均为沿光轴的轴向距离。
所述的开槽套筒中心孔内装有两个卡环，卡环与中心孔螺纹配合，开槽套筒的两侧开有用于移动卡环的通槽，第一透镜安装在两个卡环之间，通过螺纹副调整卡环在中心孔的轴向位置调整第一透镜的在光轴上的位置。
本发明还包括光控电路板，光控电路板安装在开槽套筒侧面，光控电路板上设有快门驱动电路。
所述的快门驱动电路包括单片机U1，电容C1和电容C2串联后与晶振Y1一起并联到单片机U1的XTAL1脚和XTAL2脚之间，单片机U1的P2.0脚与运算放大器U2A的正向输入端连接，运算放大器U2A的反向输入端经电阻R1连接到其输出端，并经电阻R2接地，单片机U1的P2.7脚与运算放大器U1A的正向输入端连接，运算放大器U1A的反向输入端经电阻R3连接到输出端，并经电阻R4接地，由此构成两个同向比例放大电路，运算放大器U2A和运算放大器U1A的输出端连接到快门的两控制端。
所述单片机输出矩形波，通过运算放大电路进行驱动，控制快门开合，使得被照明面上得到均匀间歇的照明。
所述单片机U1的P2.0脚和P2.7脚的两个端口分别输出波形相反的矩形波到快门的两个控制端，控制快门的周期性开合，从而实现间歇性照明。其中矩形波的占空比和周期根据具体照明需求而定。
本发明的套管之间通过螺纹相连实现系统封装，这样可方便拆卸，便于元件的检查、更换以及系统的扩展或重组。
本发明基于柯拉照明系统，如图7所示，首先将光源通过第一透镜成像到第二透镜的前焦面上，被照明面和第一透镜通过第二透镜共轭。由于当第一个透镜的半径不太大时，其前表面所受到的光源照明是均匀的。因此通过共轭关系，就能在被照明面上得到均匀的照明。
本发明在第一透镜前焦面处设置了第一光阑，可在不改变光照强度的前提下改变被照明面上的光斑大小；在第二透镜的前焦面处设置了第二光阑，调节此光阑可在不改变光斑大小的前提下改变被照明面的光照强度。
本发明选择了合适的LED光源、透镜和光阑使满足设计目标的同时将系统规模控制在一定范围以满足实际应用要求。
本发明基于柯拉照明系统，是将入瞳成像在物面上，优点在于物面上照明均匀，不存在光源像，光斑均匀，在前方加上一个聚光镜后使进入系统的入射光强度大大提高。从如图8所示的实拍效果图可得出，柯拉照明系统在指定距离范围内的光斑均匀，光强通过率较大。
本发明在光控电路中加入电子快门，通过控制快门的开合来实现对照明时间的控制。其中电子快门有两个输入引脚，两个引脚的电压正负控制其开合，通过外部向两个引脚输入相应的周期方波就可实现快门的周期性开合。矩形波通过单片机的P2.0口和P2.7口输出，在P2.0和P2.7之间形成周期反向的电压差，向快门两端输入周期矩形波，使其实现周期性的开合，进而控制光路的间歇照明。
与现有的均匀照明系统相比，本发明发明具有以下有益的技术效果：
本发明实现了对目标平面的周期间歇性照明，能对光遗传学的细胞激活进行照明和检测。
本发明组装方便，降低了照明时间控制的成本，便于批量生产，易于推广和应用可广泛应用多种场合。
附图说明
图1为4F系统的照明面的光线点列图。
图2为4F系统照明仿真的光强分布图。
图3为4F系统采用LED光源照明的光晕效果图。
图4为系统的主视图。
图5为系统的立体图。
图6为系统的爆炸视图。
图7为本发明的光路图。
图8为本发明系统照明的光晕效果图。
图9为本发明快门驱动电路的电路图。
图10为本发明实施例的光路模拟仿真的光线点列图。
图11为本发明实施例的光路模拟仿真的光强分布图。
图中：1蓝光LED，2第一套筒，3第一光阑，4第一透镜，5开槽套筒，6第二套筒，7第三套筒，8第二光阑，9第二透镜，10第四套筒，11第五套筒，12光控电路板，13卡环。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图4～6所示，本发明包括外壳、快门和沿同一光轴依次安装在外壳中的蓝光LED1、第一光阑3、第一透镜4、第二光阑8和第二透镜9以及光控电路板12，外壳包括依次同轴相衔接安装的第一套筒2、开槽套筒5、第二套筒6、第三套筒7、第四套筒10和第五套筒11，蓝光LED1安装在第一套筒2的尾端，第一光阑3安装在第一套筒2的头端和开槽套筒5的尾端之间，开槽套筒5内安装有第一透镜4，第一透镜4沿开槽套筒5轴向活动移动，开槽套筒5的头端经第二套筒6与第三套筒7的尾端连接，第二光阑8安装在第三套筒7的头端和第四套筒10的尾端之间，第四套筒10头端与第五套筒11固定连接，第二透镜9安装在第四套筒10或第五套筒11内，快门安装在第二光阑8处，快门与快门驱动电路连接；如图7所示，蓝光LED1发出的光依次经第一光阑3进光控制、第一透镜4折射、第二光阑8和快门进光控制、第二透镜9折射后出射；光控电路板12安装在开槽套筒5侧面，光控电路板12上设有快门驱动电路。
开槽套筒5中心孔内装有两个卡环13，卡环13与中心孔螺纹配合，开槽套筒5的两侧开有用于移动卡环13的通槽，第一透镜4安装在两个卡环13之间，通过螺纹副调整卡环13在中心孔的轴向位置调整第一透镜4的在光轴上的位置。
如图9所示，快门驱动电路包括单片机U1，电容C1和电容C2串联后与晶振Y1一起并联到单片机U1的XTAL1脚和XTAL2脚之间，单片机U1的P2.0脚与运算放大器U2A的正向输入端连接，运算放大器U2A的反向输入端经电阻R1连接到其输出端，并经电阻R2接地，单片机U1的P2.7脚与运算放大器U1A的正向输入端连接，运算放大器U1A的反向输入端经电阻R3连接到输出端，并经电阻R4接地，由此构成两个同向比例放大电路，运算放大器U2A和运算放大器U1A的输出端连接到快门的两控制端。
本发明的具体实施例及其实施工作过程如下：
实施例具体实施中第一套筒2长度为2.5英寸，开槽套筒5长度3英寸，第一透镜焦距为50mm，第二套筒6长度为1英寸，第三套筒7长度为0.5英寸，第四套筒10长度为1英寸，第五套筒11长度为0.5英寸，第二透镜焦距为25.4mm。
光控电路板12利用卡环固定在开槽套筒5上，可通过卡环螺丝调节松紧度或者方便地进行拆卸，其电路中两个运算放大器可采用LM386型号，快门驱动电路中的单片机采用80C51型号。单片机驱动快门电路如图9所示。
蓝光LED1采用波长为405nm、最大功率为5W的LED。但在实际应用中，可选择不同参数的LED以满足不同的照明需求。
本发明实施例最终实现的照明系统功能参数为：目标平面上的光斑大小>＝4mm2，目标平面上的光斑强度均匀且>＝4mW/mm2，在目标平面上的光照时间控制:500ms光刺激+200ms间歇(总时间300s)。
实施例的光学元件参数如下表1和表2所示。
表1
表面编号 半径 厚度 玻璃材料 半口径
1 无穷大 75.08 2.00
2 50.60 5.24 N-BK7 12.70
3 -50.60 140.00 12.70
4 24.53 8.98 N-BK7 12.70
5 -24.53 25.51 12.70
6 无穷大 - 2.38
表2
实施例利用ASAP软件进行光路模拟仿真，得到被照面上的光线点列图以及光强分布图，如图8、10、11所示。图中可见，被照面上的光斑强度基本均匀，系统的光功率利用率为5％。换用不同功率的LED，可控制被照面上的最大光强。
根据实施案例，实施例得到了300s被照面的均匀式间歇照明，满足了对光遗传学细胞激活检测的功能需求。对于不同场合的照明需求，可以根据实际情况更换LED发光波长以及套筒的尺寸，只要保证各光学元件之间的相对位置正确，即可在被照明面上得到间歇式均匀照明。

Claims (5)

1.一种对被照面进行可控间歇均匀照明的照明系统，其特征在于：包括外壳、快门和沿同一光轴依次安装在外壳中的蓝光LED(1)、第一光阑(3)、第一透镜(4)、第二光阑(8)和第二透镜(9)，外壳包括依次同轴相衔接安装的第一套筒(2)、开槽套筒(5)、第二套筒(6)、第三套筒(7)、第四套筒(10)和第五套筒(11)，蓝光LED(1)安装在第一套筒(2)的尾端，第一光阑(3)安装在第一套筒(2)的头端和开槽套筒(5)的尾端之间，开槽套筒(5)内安装有第一透镜(4)，第一透镜(4)沿开槽套筒(5)轴向活动移动，开槽套筒(5)的头端经第二套筒(6)与第三套筒(7)的尾端连接，第二光阑(8)安装在第三套筒(7)的头端和第四套筒(10)的尾端之间，第四套筒(10)头端与第五套筒(11)固定连接，第二透镜(9)安装在第四套筒(10)或第五套筒(11)内，快门安装在第二光阑(8)处，快门与快门驱动电路连接；蓝光LED(1)发出的光依次经第一光阑(3)进光控制、第一透镜(4)折射、第二光阑(8)和快门进光控制、第二透镜(9)折射后出射；
所述照明系统基于柯拉照明系统，满足条件：光源通过第一透镜(4)成像到第二透镜(9)的前焦面上，被照明面和第一透镜(4)通过第二透镜(9)共轭；
所述的开槽套筒(5)中心孔内装有两个卡环(13)，卡环(13)与中心孔螺纹配合，开槽套筒(5)的两侧开有用于移动卡环(13)的通槽，第一透镜(4)安装在两个卡环(13)之间，通过螺纹副调整卡环(13)在中心孔的轴向位置调整第一透镜(4)的在光轴上的位置。
2.根据权利要求1所述的一种对被照面进行可控间歇均匀照明的照明系统，其特征在于：还包括光控电路板(12)，光控电路板(12)安装在开槽套筒(5)侧面，光控电路板(12)上设有快门驱动电路。
3.根据权利要求1所述的一种对被照面进行可控间歇均匀照明的照明系统，其特征在于：所述的快门驱动电路包括单片机U1，电容C1和电容C2串联后与晶振Y1一起并联到单片机U1的XTAL1脚和XTAL2脚之间，单片机U1的P2.0脚与运算放大器U2A的正向输入端连接，运算放大器U2A的反向输入端经电阻R1连接到其输出端，并经电阻R2接地，单片机U1的P2.7脚与运算放大器U1A的正向输入端连接，运算放大器U1A的反向输入端经电阻R3连接到输出端，并经电阻R4接地，由此构成两个同向比例放大电路，运算放大器U2A和运算放大器U1A的输出端连接到快门的两控制端。
4.根据权利要求3所述的一种对被照面进行可控间歇均匀照明的照明系统，其特征在于：所述单片机输出矩形波，通过运算放大电路进行驱动，控制快门开合，使得被照明面上得到均匀间歇的照明。
5.根据权利要求4所述的一种对被照面进行可控间歇均匀照明的照明系统，其特征在于：所述单片机U1的P2.0脚和P2.7脚的两个端口分别输出波形相反的矩形波到快门的两个控制端，控制快门的周期性开合，从而实现间歇性照明。
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