CN111856738A - 一种led阵列照明显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED阵列照明显微镜，包括位于放置于显微镜镜座上的LED阵列照明装置及固定于载物台底部用于选取LED阵列光源的光圈，其特点是LED阵列照明装置包括LED阵列面光源、LED亮度调节旋钮、可调支撑、电源插孔、水平仪V、水平仪H、光圈；LED阵列照明装置由同种规格LED按设计方案排列而成，并可通过LED亮度调节旋钮调节亮度；可调支撑由三个相同圆柱形高度可调支撑组成用于设定其高度与方向；水平仪V、水平仪H，相互垂直且固定于面光源，用以辅助光源平面水平调节的需要；光圈，固定于载物台底部，与载物台通光孔轴线平行。本发明优点在于其投射到观察区域亮度均匀、亮度高，理论分析均匀性在90%以上，体积小、使用寿命长、安装方便。

Description

一种LED阵列照明显微镜

技术领域

本发明涉及一种光学显微镜，特别是涉及一种LED阵列照明显微镜。

背景技术

16世纪末荷兰制造出了最早的显微镜，经过几百年的发展，显微镜技术 得到了长足发展，并在医学、生物学等领域得到了广泛而普遍的应用。按显微 镜照明方式分，可为透射式照明和反射式照明两类，其中透射式适用于透明或 半透明的观测样品的观察，反射式则适用于非透明观测样品的观察。

LED是一种固态半导体光源，主要由PN结芯片、电极及光学系统组成， 是一种四代照明光源，自20世纪60年代LED问世以来，以其电光转换效率 高、使用寿命长、发光波长单一、单色性好、光色纯正、衰减少、波段丰富、 发热量小、体积小、重量轻的独特优势，以及与传统光源相比，具有显著的光、 电特性及光谱分布优势。随着科学技术及制造工艺的飞速发展，LED的发光 亮度平均每年提高20倍，价格降为最初的1/100，LED已经广泛而普遍应用于日常照明及众多相关学科领域。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种分布均匀、体积小、电光转换效率高、 亮度高的LED阵列照明显微镜及该照明系统的设计方法。

本发明采用的技术方案如下：一种LED阵列照明显微镜，包括LED阵列 照明装置和光圈，LED阵列光源光轴、显微镜主光轴、载物台通光孔轴线三 线平行，LED阵列光源放置于镜座上，通过可调支撑调节LED阵列光源的高 度及方向，光圈固定于载物台底部并且光圈轴线与载物台通光孔轴线两线平 行，若两主轴重合效果更佳，光圈用于筛选照明区域和遮挡边缘非均匀区域及 多余区域，LED阵列光源投射出的光，经过空间叠加和光圈的筛选，以及可 调支撑的调节，照射到载物台观察面得到光照强度分布均匀区域。

上述的LED阵列光源设计方法，具体步骤如下：

以LED阵列光源所在平面中心为原点0建立直角坐标系平面X0Y，过原 点0作平面X0Y垂线为Z轴，平面X0Y与Z轴交点为0，自镜座向载物台取 作Z轴正方向。在平面X0Y内，以间隔d作平行于X轴的一组平行线，以间 隔d作平行于Y轴的一组平行线，交点即为LED阵列LED的布置点，得到一 个N×NLED阵列。

设定观察面为载物台所在平面，与LED阵列光源所在平面距离记作z。 单颗LED作为朗伯体光源，其光照强度表示为：I(θ)＝I₀·cos^m(θ)，其中I₀表 示光轴上的光照强度，θ是视角，照明参考平面中每个点(x，y，0)光照强 度表示为：

参数m由

确定，θ_1/2定义为光照强度为0时值的一半时的视角，称为 半光照强度角。

根据斯派罗法则及叠加原理，观察面光强可以表示如下，当N为偶数时，

当N为奇数时，

其中N表示LED阵列的行列数，d表示LED阵列中最近两颗相邻LED的中 心间距。由数学知识，总光照强度分布均匀时，LED中心间距d应满足，

通过函数关系，LED中心间距d所满足的与横向坐标轴最 小距离即为光照强度均匀分布最佳距离。

与目前传统显微镜相比，本发明的优点在于注重照明部件的光照分布均匀 性对显微镜观察效果的作用，包括采用高亮LED后，显微镜照明所能达到的 最大亮度大大提高，完全满足了显微镜观察对光照强度需求。基于LED自身 的优势，本LED阵列照明系统具有发热量小、体积小、使用寿命长、光照强 度均匀、最大亮度值高、光色纯正、衰减小、节能，通过LED类型的选择可 以选择不同的照明波长及色温。

附图说明

图1为本发明的整体侧视效果图；

图2为本发明的LED阵列光源及光圈侧视效果图；

图3为本发明的LED阵列光源俯视效果图。

图4为本发明的LED阵列奇数行列布局及XY坐标系统图；

图5为本发明的LED阵列偶数行列布局及XY坐标系统图；

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施详细描述。

一种LED阵列照明光学显微镜，包括LED阵列照明装置和光圈，LED阵 列光源光轴、显微镜主光轴、载物台通光孔轴线三线平行，LED阵列光源放 置于镜座上，通过可调支撑调节LED阵列光源的高度及方向，光圈固定于载 物台底部并且光圈和载物台通光孔两主轴平行，若两主轴重合效果更佳，光圈 用于筛选照明区域和遮挡边缘不均匀照明及多余照明，LED阵列光源投射出 的光，经过空间叠加和光圈的筛选，以及可调支撑的调节，照射到载物台观察 面得到光照强度分布均匀区域。

依据本发明的方法，以下进行一个具体的8×8LED阵列照明光源的设计。 以LED阵列光源所在平面中心为原点0建立直角坐标平面X0Y，过原点0作 平面X0Y垂线为Z轴，平面X0Y与Z轴交点为0，自镜座向载物台方向为Z 轴正方向。在平面X0Y内，以间隔d作平行于X轴的一组8条平行线，以间 隔d作平行于Y轴的一组8条平行线，交点即为LED阵列LED的布置点，如 图4所示。

选取某种常见红色LED，该LED参数基本信息如下：标准工作电流为10 mA，半角值θ_1/2为7.5°，对应m值计算得到80.67，此处取m值为81，该LED 光照最大值为10cd，设计LED阵列光源到载物台观察面距离即z取10cm。

将所选取LED参数基本信息代入LED最佳中心间距d关系式

计算得d＝1.3cm，确定LED阵列布置具体位置参数，对应 LED阵列布置后其大小为9×9cm²方阵，z＝10cm处LED阵列照明区域大小 为10×10cm²，经偶数LED阵列光照强度计算式计算，所设计最佳距离LED 阵列10cm处的观察平面光照强度为234cd。

将光圈固定于载物台底部，放置LED阵列光源于镜座上，调整光圈适当 大小，调节可调支撑调节光源高度及方向。

光圈安装注意：

(1)光圈主光轴与载物台通光孔中心轴线平行。

(2)光圈通光区域不超出载物台边缘。

Claims (7)

1.一种LED阵列照明显微镜，包括投射到载物台观察面且其光轴与显微镜主光轴平行的LED阵列照明装置及固定于载物台底部用于选取LED阵列光源投射均匀区域的光圈，其特征在于所述的LED阵列照明装置包括LED阵列面光源、LED亮度调节旋钮、可调支撑、电源插孔、水平仪V、水平仪H、光圈；所述光圈，固定于载物台底部，与载物台通光孔轴线平行，所述LED阵列照明装置放置于镜座上、载物台下方，所述LED阵列光轴、光圈轴线、载物台通光孔轴线三线平行，所述LED阵列光源由LED阵列中各LED组成，所述LED阵列光源所产生的光由LED阵列中各LED发出的光叠加而成，从所述LED阵列光源投射到载物台观察面得到光照强度均匀的照明区域。

2.根据权利要求1所述的一种LED阵列照明显微镜，其特征在于若以所述LED阵列两垂直对称轴分别为X轴与Y轴，以所述LED阵列光轴作为Z轴方向，指向载物台方向为正方向，三轴交点为坐标原点，原点处X＝0，Y＝0，Z＝0，建立一个三维空间坐标系，若在XY平面内以间隔d作X轴平行线，以间隔d作Y轴平行线，各交点处设置LED颗粒，形成LED阵列。

3.根据权利要求1所述的一种LED阵列照明显微镜，其特征在于所述LED阵列中各单个LED被放置在点记作(x_i，y_i，z)，单颗LED光照强度为：I(θ)＝I₀·cos^m(θ)，其中I₀表示光轴上的光照强度，θ表示视角，照明参考平面中各点坐标表示为：(x，y，0)，各点光照强度可以表示为：

其中参数m由

确定，θ_1/2定义为光照强度为0时值的一半时的视角，当N为偶数时，

当N为奇数时，

其中N表示LED阵列光源LED的行列数，d表示相邻最近两颗LED中心间距。由数学知识，当总光照强度均匀分布时，距离d达到最佳此时满足如下关系：

4.根据权利要求1所述的一种LED阵列照明显微镜，其特征在于所述的LED阵列光源射出的光从载物台底部投射到观察面前经过光圈筛选，投射到观察面的光照强度分布均匀。

5.根据权利要求1所述的一种LED阵列照明显微镜，其特征在于所述LED阵列光源通过底部可调支撑调整高度及光源平面方向，通过调整确保LED阵列光源投射在观察面的光照强度分布均匀。

6.根据权利要求1所述的一种LED阵列照明显微镜，其特征在于所述LED阵列光源亮度可调。

7.根据权利要求1所述的一种LED阵列照明显微镜，其特征在于所述LED阵列光源的LED类型可以根据显微镜使用需要确定。

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