CN110195826A - 一种准直光源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种准直光源系统，其包括同轴设置的LED灯、聚光透镜、孔径光阑以及光斑透镜，其中，所述聚光透镜设置在所述LED灯与所述光斑透镜之间，用于聚集所述LED灯发出的光线，所述聚光透镜为杯形全内反射透镜，所述LED灯发出的光线经所述聚光透镜收集和聚焦，投射到孔径光阑的通光孔，经孔径光阑整形后投射至所述光斑透镜，所述光斑透镜可将入射光线汇聚以获得近似平行出射的照明光束，根据本发明提供的准直光源系统，其光线利用率高，且获得的光斑照度均匀。

Description

一种准直光源系统
技术领域
本发明属于照明技术领域，尤其涉及一种准直光源系统。
背景技术
准直照明是一种由多个透镜组成的照明系统，其最后一面发出的光近似平行出射，进而可以在被照明平面上获得较为均匀的照明域。无论是透射光路，还是反射光路，准直照明都能为明场、暗场，以及各种相差显微术提供均匀的标本照明，高的分辨率和良好的标本反差，因此，准直照明广泛应用于显微镜技术领域。
LED灯的发光颜色纯，无杂色光，光效非常高，且具有优异的稳定性，因此，现有的准直照明大多使用LED灯作为光源。由于LED灯实际发出的光是一个平面光，其向各个方向均有光线发出，然而现有的准直照明的只利用了LED向前发出的光线，而LED向侧面发出的大部分光线没有被利用，造成了LED光线的浪费；同时，现有的准直照明所产生的照明光斑的照度不够均匀，容易产生光晕。
发明内容
本发明为解决现有准直照明存在LED灯光线浪费、照度不够均匀的问题，提供一种准直光源系统，其光线利用率高，且获得的光斑照度均匀。
为此，本发明提供一种准直光源系统，包括同轴设置的LED灯、聚光透镜、孔径光阑以及光斑透镜，其中，所述聚光透镜设置在所述LED灯与所述光斑透镜之间，用于聚集所述LED灯发出的光线，所述聚光透镜为杯形全内反射透镜，所述LED灯发出的光线经所述聚光透镜收集和聚焦，投射到孔径光阑的通光孔，经孔径光阑整形后投射至所述光斑透镜，所述光斑透镜可将入射光线汇聚以获得近似平行出射的照明光束。
在本发明的一些实施例中，所述杯形全内反射透镜包括折射面、透光面以及全反射面，所述LED灯向前方发出的光线从所述透光面汇集至所述孔径光阑，所述LED灯向侧面发出的光线分别从所述折射面折射后由所述全反射面反射至所述孔径光阑。
在本发明的一些实施例中，所述LED灯的显色指数大于70，色温为4500K-9000K。
在本发明的一些实施例中，所述聚光透镜和所述光斑透镜均由PMMA材料制成，所述PMMA材料的透光率大于92％。
在本发明的一些实施例中，所述聚光透镜和所述光斑透镜亦可由PC等塑料材料、玻璃材质、石英等其它透光材料制成。
在本发明的一些实施例中，所述准直光源系统的照度均匀度大于0.8。
在本发明的一些实施例中，在所述聚光透镜和所述光斑透镜之间设有孔径光阑，所述孔径光阑设置在聚光透镜之折射面和全反射面的共同焦平面上，由聚光透镜汇聚的来自LED灯的光线在孔径光阑平面直径最小。
在本发明的一些实施例中，所述聚光透镜包含的杯形全内反射透镜的出射端还设有圆锥台罩，所述圆锥台罩的上底面与所述孔径光阑连接，所述圆锥台罩的上底面的直径等于所述孔径光阑的直径。
在本发明的一些实施例中，所述孔径光阑可以延伸为一种涂层附着在所述的圆锥台罩表面，所述涂层可以阻止光线从圆锥台罩面射出聚光透镜。
在本发明的一些实施例中，所述光斑透镜的入射面的曲率小于出射面的曲率。
根据本发明提供的准直光源系统，其采用杯形全内反射透镜作为聚光透镜，可以最大限度的利用LED灯发出的光线，将其投射在光斑透镜上，光斑透镜将入射光线汇聚以获得近似平行出射的照明光束，可以获得照度均匀的圆形光斑。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明一个实施例提供的准直光源系统的光学结构示意图；
图2是本发明一个实施例提供的准直光源系统中的聚光透镜的结构示意图；
图3是图1中的准直光源系统的光路示意图；以及
图4是通过计算机模拟计算获得的采用本发明一个实施例中的准直光源系统所产生的照明光斑在400mm处的照度分布图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1所示，本发明的一个具体实施例提供一种准直光源系统，其包括同轴设置的LED灯1、聚光透镜2以及光斑透镜3，其中，聚光透镜2设置在LED灯1与光斑透镜3之间，用于聚集LED灯1发出的光线，聚光透镜2为杯形全内反射透镜(即Total InternalReflection透镜，简称TIR透镜)，LED灯1发出的光线经聚光透镜2后投射至光斑透镜3，光斑透镜3可将入射光线汇聚以获得近似平行出射的照明光束，进而，可以在被照明平面上获得较为均匀的照明光斑。
本发明通过杯形TIR透镜可以将LED灯1向前方和向侧方发出的光线进行全内反射，并将LED灯1发出的光线进行聚集，以投射到光斑透镜3上，进而，可以高效利用LED灯1发出的光线。可以理解的是，为最大限度的利用LED灯1发出的光线，本发明提供的准直光源系统在安装时，聚光透镜2的底端应不高于LED灯1的发光面，以便接收LED灯1发出的所有光线。同时，各透镜以及LED灯1的具体安装及固定方法为本领域技术人员所公知，本发明对此不再赘述。
可以理解的是，本发明对于杯形TIR透镜的具体结构没有特殊限制，其可以采用各种结构的TIR透镜，只要能实现将LED灯1发出的光线聚集即可。优选地，参照图2所示，在本发明的一些实施例中，杯形TIR透镜，即聚光透镜2包括折射面21、透光面22以及反射面23，LED灯1向前方发出的光线从透光面22汇集至光斑透镜3，LED灯1向侧面发出的光线分别从折射面21折射后由反射面23反射至光斑透镜3。
即，参照图3所示，在此实施例中，杯形TIR透镜主要通过两部分来完成LED灯1的光线聚集，LED灯1向前方的光线是通过杯形TIR透镜内部的小曲面(即透光面22)以穿透的方式聚光，超出透光面22直径外的侧光是先通过折射面21折射至反射面23，然后通过反射面23反射的方式聚光。通过杯形TIR透镜可以将LED灯1发出的光线聚集，以投射到光斑透镜3上，然后光斑透镜3将入射光线汇聚以获得近似平行出射的照明光束。
进一步的，为防止在工作的过程中，杯形TIR透镜，即聚光透镜2产生杂光或部分LED灯1发出的光线无法被杯形TIR透镜汇集而造成漏光的情况发生，最大限度的利用LED灯1发出的光线，在本发明的一些实施例中，透光面为向LED光源方向的凸面，所述折射面的斜度为正负10度，所述反射面的弧度为全内反射面。
当然，还可以通过扩大反射面积，以提高杯形TIR透镜的反射效率。为减少杯形TIR透镜的体积，减少体积大所带来的影响，在本发明的一些实施例中，杯形TIR透镜的高度小于9mm，同时，通过结构设计可以使得光斑透镜3的顶部至LED灯1底部的PCB板之间的距离小于29mm，进而获得体积非常小的准直光源系统。
可以理解的是，本发明采用的杯形TIR透镜为轴对称的形状，其在将LED灯1发出的光线汇聚后所形成的光斑为圆形，然后通过光斑透镜3接收杯形TIR透镜汇聚的圆形光斑后，光斑透镜3可以获得近似平行出射的照明光束，其照射在照射平面或屏幕上是形成照度均匀的圆形光斑。
可以理解的是，本发明对于光斑透镜3的形状没有特殊限制，其可以采用各种凸透镜，只要发散的光线通过其后能获得近似平行出射的照明光束即可。进一步的，在本发明的一些实施例中，参照图1-2所示，光斑透镜3的入射面的曲率小于出射面的曲率。
进一步的，为提高获得的照明光束的平行度及亮度，在本发明的一些实施例中，参照图1、图3所示，在聚光透镜2和光斑透镜3之间还设有孔径光阑4，孔径光阑4设置在聚光透镜之折射面和全反射面的共同焦平面上，由聚光透镜汇聚的来自LED灯的光线在孔径光阑平面直径最小。
进一步的，为减少结构设计的复杂度，提高光线利用率，参照图1-2所示，在本发明的一些实施例中，杯形全内反射透镜，即聚光透镜2的出射端还设有圆锥台罩24，圆锥台罩24的上底面与孔径光阑4连接，圆锥台罩24的上底面25的直径等于孔径光阑4的直径。进而，经过聚光透镜2汇聚的光线可以被限制在圆锥台罩内，减少光线的损失。当然，圆锥台罩24的侧面可以为镜面反射面，以减少光线丢失，提高光线利用率。进而，通过设置圆锥台罩24，可以将LED灯1发出的光线汇聚成亮度高且无光晕的圆形光斑(即汇聚在圆锥台罩24的上底面25上的圆形光斑)。即，可以将LED灯1的面光源转换成类似点光源，然后通过该类似点光源投射至光斑透镜3上。光斑透镜3具有汇聚光线的作用，可以将该类似点光源投射出的光线汇聚，以获得近似平行出射的照明光束，进而，通过光斑透镜3出射的照明光束所获得的圆形光斑的亮度高，而且光晕小，照度均匀度大于0.8。图4所示为采用本发明一个实施例中的准直光源系统所产生的照明光斑在400mm处的照度分布图，该分布图是通过假设LED灯1的光通量为300Lm时的计算机模拟结果。
下表为通过计算机模拟获得的荧幕距离在250mm、400mm、及500mm处获得的光斑的各参数的列表。其中可以看出，在LED灯1的光通量为300Lumen的情况下，采用本发明提供的准直光源系统在400mm照射距离时的照明光斑大小为80mm左右。
荧幕距离250mm 荧幕距离400mm 荧幕距离500mm
光通量 300Lumen 300Lumen 300Lumen
光斑大小 44.72839610634995mm 80.64460783549825mm 97.29246505000052mm
最大照度 60561.73442176895Lux 23228.27131472634Lux 14672.72853841434Lux
可以理解的是，本发明对于LED灯1的具体种类没有特殊限制，其可以根据实际需求，例如，色温、颜色还原度等，进行选择。在本发明的一些实施例中，LED灯1的CRI(即显色指数)介于70-90之间，在较高显色指数下，本发明提供的准直光源系统的颜色逼真的程度，对物体的色彩还原能力强。同时，在本发明的一些实施例中，LED灯1的CCT(即色温)为4500K-9000K,显色指数为90，此光源可以很好的重现物体本身的颜色，对于检测色差性缺陷有良好的效果。具有显色指数大于90，色温4500K-9000K的LED灯可以通过商购获得，例如，LED灯1可以选用Cree XP-G3。
同样可以理解的是，本发明对于聚光透镜2和光斑透镜3的材质没有特殊限制，其可以采用本领域各种透光材料制成，例如，光学玻璃材料、PC材料等。本发明的一些实施例中，聚光透镜2和光斑透镜3均由PMMA材料(即聚甲基丙烯酸甲酯材料，又称亚克力材料)制成，PMMA材料的透光率大于92％，透光率越高，光线的利用率越高。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种准直光源系统，其特征在于，包括同轴设置的LED灯、聚光透镜、孔径光阑以及光斑透镜，其中，所述聚光透镜设置在所述LED灯与所述光斑透镜之间，用于聚集所述LED灯发出的光线，所述聚光透镜为杯形全内反射透镜，所述LED灯发出的光线经所述聚光透镜收集和聚焦，投射到孔径光阑的通光孔，经孔径光阑整形后投射至所述光斑透镜，所述光斑透镜可将入射光线汇聚以获得近似平行出射的照明光束。
2.根据权利要求1所述的准直光源系统，其特征在于，所述杯形全内反射透镜包括折射面、透光面以及全反射面，所述LED灯向前方发出的光线从所述透光面汇集至所述孔径光阑，所述LED灯向侧面发出的光线分别从所述折射面折射后由所述全反射面反射至所述孔径光阑。
3.根据权利要求1所述的准直光源系统，其特征在于，所述LED灯的显色指数大于70，色温为4500K-9000K。
4.根据权利要求1所述的准直光源系统，其特征在于，所述聚光透镜和所述光斑透镜均由PMMA材料制成，所述PMMA材料的透光率大于92％。
5.根据权利要求1所述的准直光源系统，其特征在于，所述聚光透镜和所述光斑透镜亦可由PC等塑料材料、玻璃材质、石英等其它透光材料制成。
6.根据权利要求1所述的准直光源系统，其特征在于，所述准直光源系统的照度均匀度大于0.8。
7.根据权利要求1所述的准直光源系统，其特征在于，在所述聚光透镜和所述光斑透镜之间设有孔径光阑，所述孔径光阑设置在聚光透镜之折射面和全反射面的共同焦平面上，由聚光透镜汇聚的来自LED灯的光线在孔径光阑平面直径最小。
8.根据权利要求1所述的准直光源系统，其特征在于，所述聚光透镜包含的杯形全内反射透镜的出射端还设有圆锥台罩，所述圆锥台罩的上底面与所述孔径光阑连接，所述圆锥台罩的上底面的直径等于所述孔径光阑的直径。
9.根据权利要求1所述的孔径光阑，其特征在于，所述孔径光阑可以延伸为一种涂层附着在权利要求8所述的圆锥台罩表面，所述涂层可以阻止光线从圆锥台罩面射出聚光透镜。
10.根据权利要求1所述的准直光源系统，其特征在于，所述光斑透镜的入射面的曲率小于出射面的曲率。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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