CN106772978A - 一种led反射照明式光学显微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED反射照明式光学显微镜，包括位于显微镜主光轴上的观察面和将光线投射到观察面上的LED照明装置，特点是LED照明装置包括一个LED平面光源、一个LED准直透镜和一个自由曲面微反射镜阵列，LED准直透镜设置在显微镜主光轴的侧面，LED准直透镜的光轴与所述的显微镜主光轴平行，LED平面光源设置在LED准直透镜的前方，自由曲面微反射镜阵列设置在LED准直透镜后，自由曲面微反射镜阵列由设置在平面基板上的沿显微镜主光轴的垂线与LED准直透镜的光轴的连接线的方向并行排列的多个自由曲面微反射镜组成，优点在于显微镜观察区照度均匀性较高，照度均匀性不会因为显微镜镜筒距离的变化而减低，照度均匀性始终在85％以上，系统的体积小，安装方便。

Description

一种LED反射照明式光学显微镜
技术领域
本发明涉及一种光学显微镜，尤其涉及一种LED反射照明式光学显微镜。
背景技术
显微镜是人们洞察微观世界的眼睛，目前在医学、生物学等众多领域中得到了广泛的应用。一台精确的显微镜不仅仅依赖于物镜和目镜的设计，照明系统也会很大程度上影响着显微镜的成像效果。
显微镜一般使用金属卤素灯和其他热光源作为照明光源，随着LED发光二极管的发展，由于其成本低、体积小、色温优良和寿命长等优点，LED正逐步取代传统光源。LED的光色较纯，非常适合作为显微镜照明系统。但目前市场上应用LED作为显微镜反射照明装置的方式比较落后，主要是环形照明方式。由于LED环形照明灯没有经过严格的光学配光，在观察面形成的照度不均匀，而且随着观察距离的变化，光照度会发生较大的变化，并因此会影响光学显微镜的成像效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种LED反射照明式光学显微镜，能够在观察面形成的照度均匀的照明，而且随着观察距离的变化，光照度不会发生较大的变化，使光学显微镜得到较为理想的成像效果。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种LED反射照明式光学显微镜，包括位于显微镜主光轴上的观察面和将光线投射到观察面上的LED照明装置，所述的LED照明装置包括一个LED平面光源、一个LED准直透镜和一个自由曲面微反射镜阵列，所述的LED准直透镜设置在所述的显微镜主光轴的侧面，所述的LED准直透镜的光轴与所述的显微镜主光轴平行，所述的LED平面光源设置在所述的LED准直透镜的前方，所述的自由曲面微反射镜阵列设置在所述的LED准直透镜后，所述的自由曲面微反射镜阵列由设置在平面基板上的沿所述的显微镜主光轴的垂线与所述的LED准直透镜的光轴的连接线的方向并行排列的多个自由曲面微反射镜组成，所述的LED准直透镜由大直径的第一平面和小直径的第二平面及位于所述的第一平面和所述的第二平面之间的侧面构成，所述的第二平面上设置有凹腔，所述的凹腔的内面由圆柱面和半球面构成，所述的第一平面为所述的LED准直透镜的出射面，所述的凹腔的内面为所述的LED准直透镜的入射面，所述的LED平面光源设置在所述的凹腔的中心并与所述的第二平面平齐，所述的LED平面光源发出的发散光经过所述的准直透镜后形成平行光从所述的第一平面出射在所述的自由曲面微反射镜阵列上，从所述的LED准直透镜出射的平行光整个布满所述的自由曲面微反射镜阵列，所述的平行光在所述的自由曲面微反射镜阵列上重新配光后在所述的观察面上形成照度均匀的照明光斑。
若以所述的LED准直透镜的光轴方向作为Z轴的方向，以所述的LED准直透镜的光轴的垂线与所述的显微镜主光轴的连线方向作为X轴，建立一个三维空间坐标系，定义第二平面为Z轴的坐标原点Z＝0，第一平面离所述的显微镜主光轴的最远点为X轴的坐标原点X＝0，以与X方向垂直的第一平面的最宽点为Y轴的坐标原点Y＝0，若第一平面的直径为D，则将第一平面平均划分成多个x方向长度为a，y方向宽度为b的微小矩形区域a×b，所述的自由曲面微反射镜阵列的行数为D/a，所述的自由曲面微反射镜阵列的列数为D/b，当所述的平面基板与XOY平面的夹角为θ时，所述的自由曲面微反射镜的宽度为b，长度为a/cosθ，若将微小矩形区域均匀地划分为m×n网格，微小矩形区域内第i行第j列的网格点G(i,j)在所述的自由曲面微反射镜上对应的点为而在观察面上对应的点为其中H为所述的自由曲面微反射镜的初始点在Z轴上与坐标原点的距离，d为观察面与坐标原点的距离，l为观察面直径，则自由曲面微反射镜上Gs点处的单位法向量为其中为入射光的单位向量，为出射光单位向量。
所述的自由曲面微反射镜在平行光束截面的投影是矩形的，在所述的观察面上，所述的矩形光斑覆盖整个圆形的显微镜观察区。
所述的第一平面位于所述的第二平面的上方。
所述的第一平面位于所述的第二平面的下方。
与现有技术相比，本发明的优点在于本发明提出的采用自由曲面微反射镜阵列实现显微镜反射式的离轴照明，显微镜观察区照度均匀性较高，照度均匀性不会因为显微镜镜筒距离的变化而减低，照度均匀性始终在85％以上，系统的体积小，安装方便。
附图说明
图1(a)为本发明的显微镜中LED反射照明装置的平行光束向上出射时的配光结构示意图，此时第一平面位于第二平面的上方；
图1(b)为本发明的显微镜中LED反射照明装置的平行光束向下出射时的配光结构示意图，此时，第一平面位于第二平面的下方；
图2为本发明的显微镜中LED准直透镜的结构示意图；
图3为本发明的显微镜中平行光束内的微小矩形区域和照明区域的网格划分示意图；
图4为本发明的显微镜中第二平面与自由曲面微反射镜表面及观察面上相关位置关系示意图；
图5为本发明的显微镜中单个自由曲面微反射镜的结构示意图；
图6为本发明的显微镜中同一行的5个不同自由曲面微反射镜的结构示意图；
图7中(a)和(b)分别为本发明自由曲面微反射镜阵列两种不同视角的立体结构示意图；
图8中(a)和(b)分别为本发明的显微镜中LED照明装置的两种不同视角的立体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明的LED反射照明式光学显微镜，LED照明装置中的自由曲面微反射镜阵列的结构有两种，如图1所示。下面将以图1(a)的结构为例进行说明。
LED反射照明式光学显微镜，包括位于显微镜主光轴O1上的观察面1和将光线投射到观察面1上的LED照明装置，选择观察区1是一个半径50mm的圆形区域，LED照明装置包括一个LED平面光源4、一个LED准直透镜3和一个自由曲面微反射镜阵列200，LED准直透镜3设置在显微镜主光轴O1的侧面，LED准直透镜3的光轴O2与显微镜主光轴O1平行，LED平面光源4设置在LED准直透镜3的前方，自由曲面微反射镜阵列200设置在LED准直透镜3后，自由曲面微反射镜阵列200由设置在平面基板上的沿显微镜主光轴O1的垂线与LED准直透镜的光轴O2的连接线的方向并行排列的多个自由曲面微反射镜组成，LED准直透镜3由大直径的第一平面31和小直径的第二平面32及位于第一平面31和第二平面32之间的侧面33构成，第一平面31位于第二平面32的上方，在图1中，选取第一平面31直径为22mm，第二平面32上设置有凹腔34，凹腔34的内面由圆柱面和半球面构成，第一平面31为LED准直透镜3的出射面，凹腔34的内面为LED准直透镜3的入射面，LED平面光源2设置在凹腔34的中心并与第二平面32平齐，如图2所示，LED平面光源2发出的发散光经过LED准直透镜3后形成平行光从第一平面31出射在自由曲面微反射镜阵列200上，从LED准直透镜3出射的平行光整个布满自由曲面微反射镜阵列200，平行光在自由曲面微反射镜阵列200上重新配光后在观察面1上形成照度均匀的照明光斑。
若以LED准直透镜的光轴O2的方向作为Z轴的方向，以LED准直透镜的光轴的O2的垂线与显微镜主光轴O1的连线方向作为X轴，建立一个三维空间坐标系，定义第二平面32为Z轴的坐标原点Z＝0，第一平面31离显微镜主光轴O1的最远点为X轴的坐标原点X＝0，以与X方向垂直的第一平面31的最宽点为Y轴的坐标原点Y＝0，若第一平面31的直径为D＝22mm，则将第一平面31平均划分成多个x方向长度为a＝5mm，y方向宽度为b＝5mm的微小矩形区域a×b，由微分知识可知，该微小矩形区域内可近似看作等照度的，该微小矩形区域内的光经过自由曲面微反射镜42后在观察面1上形成一个等照度的光斑，由能量守恒定律，有：
E0·S0＝Et·St，
其中，E0表示出射平行光束在微小矩形区域内的照度值，Et表示观察面1光斑的照度值；S0和St分别表示微小矩形区域和观察面1光斑的面积。自由曲面微反射镜阵列200的行数为D/a＝5，自由曲面微反射镜阵列200的列数为D/b＝5，当自由曲面微反射镜阵列200的平面基板与XOY平面的夹角为θ时，第一个自由曲面微反射镜201的宽度为b，长度为a/cosθ，若将微小矩形区域均匀地划分为m×n网格，在本实施例中，选择m＝n＝500，微小矩形区域内第i行第j列的网格点G(i,j)在自由曲面微反射镜201上对应的点为而在观察面1上对应的点为其中H为自由曲面微反射镜201的初始点在Z轴上与坐标原点的距离，d为观察面与坐标原点的距离，l为观察面直径，则自由曲面微反射镜210上Gs点处的单位法向量为其中为入射光的单位向量，为出射光单位向量。
在本实施例中，当我们选择H＝50mm，d＝40mm，l＝100mm。
如图4所示，首先确定以微小矩形区域的格点G(1,1)作为初始点，该点对应于自由曲面上点的初始点为与照明面上格点的对应点为T(1,1)，则由点Gs(1,1)和点Ts(1,1)可以得到出射光线的方向向量可表示为
而入射光始终为平行光由Snell定律
可得Gs(1,1)点处的单位法向量，从而得到Gs(1,1)点的切平面。该切平面与入射到格点G(1,2)的光线相交确定为曲面下一坐标点Gs(1,2)，其在照明面上对应点为Ts(1,2)，通过上述的计算方法求出Gs(1,2)点的切平面和曲面的下一坐标点Gs(1,3)。以此类推，通过迭代计算可得到自由曲面上所有离散点的坐标，将这些点坐标拟合即可得到一个自由曲面微反射镜201，如图5所示。
由于照明距离H＝50mm，与计算得到的单个自由曲面的距离逐渐增大，如果每一列都用相同的自由曲面反射镜阵列排布，会使得每列在照明面上的照度分布明显不同，导致照度均匀性变差。于是，我们需计算每一列的自由曲面。
对于下一列微反射镜，确定新的合适初始点，运用同样方法即可得到自由曲面面型。由单个小矩形的长为5mm和准直透镜的直径22mm可知，需要计算5个不同列的自由曲面微反射镜201、202、203、204、205，如图6所示。
将计算得到的5个不同列的自由曲面微反射镜进行阵列排布，布满整个入射平行光的截面，并产生实体模型，即可得到自由曲面微反射镜阵列200，如图7所示。
本发明中，第一平面31也可以位于第二平面32的下方。

Claims (5)

1.一种LED反射照明式光学显微镜，包括位于显微镜主光轴上的观察面和将光线投射到观察面上的LED照明装置，其特征在于所述的LED照明装置包括一个LED平面光源、一个LED准直透镜和一个自由曲面微反射镜阵列，所述的LED准直透镜设置在所述的显微镜主光轴的侧面，所述的LED准直透镜的光轴与所述的显微镜主光轴平行，所述的LED平面光源设置在所述的LED准直透镜的前方，所述的自由曲面微反射镜阵列设置在所述的LED准直透镜后，所述的自由曲面微反射镜阵列由设置在平面基板上的沿所述的显微镜主光轴的垂线与所述的LED准直透镜的光轴的连接线的方向并行排列的多个自由曲面微反射镜组成，所述的LED准直透镜由大直径的第一平面和小直径的第二平面及位于所述的第一平面和所述的第二平面之间的侧面构成，所述的第二平面上设置有凹腔，所述的凹腔的内面由圆柱面和半球面构成，所述的第一平面为所述的LED准直透镜的出射面，所述的凹腔的内面为所述的LED准直透镜的入射面，所述的LED平面光源设置在所述的凹腔的中心并与所述的第二平面平齐，所述的LED平面光源发出的发散光经过所述的准直透镜后形成平行光从所述的第一平面出射在所述的自由曲面微反射镜阵列上，从所述的LED准直透镜出射的平行光整个布满所述的自由曲面微反射镜阵列，所述的平行光在所述的自由曲面微反射镜阵列上重新配光后在所述的观察面上形成照度均匀的照明光斑。
2.如权利要求1所述的一种LED反射照明式光学显微镜，其特征在于若以所述的LED准直透镜的光轴方向作为Z轴的方向，以所述的LED准直透镜的光轴的垂线与所述的显微镜主光轴的连线方向作为X轴，建立一个三维空间坐标系，定义第二平面为Z轴的坐标原点Z＝0，第一平面离所述的显微镜主光轴的最远点为X轴的坐标原点X＝0，以与X方向垂直的第一平面的最宽点为Y轴的坐标原点Y＝0，若第一平面的直径为D，则将第一平面平均划分成多个x方向长度为a，y方向宽度为b的微小矩形区域a×b，所述的自由曲面微反射镜阵列的行数为D/a，所述的自由曲面微反射镜阵列的列数为D/b，当所述的平面基板与XOY平面的夹角为θ时，所述的自由曲面微反射镜的宽度为b,长度为a/cosθ，若将微小矩形区域均匀地划分为m×n网格，微小矩形区域内第i行第j列的网格点G(i,j)在所述的自由曲面微反射镜上对应的点为而在观察面上对应的点为其中H为所述的自由曲面微反射镜的初始点在Z轴上与坐标原点的距离，d为观察面与坐标原点的距离，l为观察面直径，则自由曲面微反射镜上Gs点处的单位法向量为其中为入射光的单位向量，为出射光单位向量。
3.如权利要求1所述的一种LED反射照明式光学显微镜，其特征在于所述的自由曲面微反射镜在平行光束截面的投影是矩形的，在所述的观察面上，所述的矩形光斑覆盖整个圆形的显微镜观察区。
4.如权利要求1所述的一种LED反射照明式光学显微镜，其特征在于所述的第一平面位于所述的第二平面的上方。
5.如权利要求1所述的一种LED反射照明式光学显微镜，其特征在于所述的第一平面位于所述的第二平面的下方。
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