CN112014966B - 一种两色led阵列照明显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED阵列照明显微镜，包括置于镜座的LED阵列照明装置及固定于载物台底部用于选取LED阵列光源照明区域的光圈，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阵列照明装置由筛选所得LED按设计方案排列而成，并通过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、突出颜色效果，理论分析均匀性在90％以上，体积小、使用寿命长、安装方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种两色LED阵列照明显微镜，特别是涉及一种两色LED阵列的背向照明显微镜。
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，分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。按照射方法分为：背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。其中，背向照明是被测物放在光源和观察点之间，优点是能获得高对比度的图像。照明时，为了突出体现某种颜色的信息，通常适当选择颜色搭配组合，相同色调的光可以使被照部分变亮(浅)，使用补色调使被照部分颜色变暗(深)，从而达到增强对比度的效果。
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，备受人们关注并得到广泛的应用。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：一种两色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。照明时，为了突出体现某种颜色的信息，通常适当选择颜色搭配组合，相同色调的光可以使被照部分变亮(浅)，使用补色调使被照部分颜色变暗(深)，从而达到增强对比度的效果。
上述的LED阵列光源设计方法，具体步骤如下：
LED光源选择，本发明采用的LED光源为两种类型的LED组成一小组。首先是LED颜色类型的选择，若记黑实圈表示A类，记黑空圈表示B类，其中若A类选取红色LED、或蓝色LED、或黄色LED，则B类选取除A类以外颜色类型的LED；其次是所选用LED的A、B两类具有相同的视角θ，以确保计算光照强度时m取值相同，以及设计LED阵列时两类LED具有相同的最佳间距，参数m由确定，θ是视角，θ1/2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；所有LED小组A、B保持平行。
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小组A、B的布置点，得到一个N×N LED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·cosm(θ)，其中I0表示光轴上的光照强度，照明参考平面中每个点(x，y，0)光照强度表示为：
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，EA、EB表示在三原色中两种发光颜色的LED光强，EA表示红色LED、或蓝色LED、或黄色LED，EB表示除A类以外颜色的LED光强，具有相同表达形式，具体形式如Et所示，则总光照强度E＝EA+EB，N表示LED阵列的行列数，d表示同类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，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、光照强度及颜色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类型组合选择可以进一步加强观察效果。
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阵列偶数行列布局及XY坐标系统图；
图5为本发明的LED阵列奇数行列布局及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。
一种两色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小组A、B布置点，如图4所示，所有LED小组A、B保持平行。
选取某种常见LED，A类为红色LED，B类为蓝色LED，该LED参数基本信息如下：A类标准工作电流为10mA，B类标准工作电流为20mA，半角值θ1/2为7.5°，对应m值计算得到80.67，此处取m值为81，A类LED光照最大值为10cd，B类LED光照最大值为4cd，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阵列布置后其大小尺寸为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最大值为328cd。
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。
Claims (6)
1.一种两色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亮度调节旋钮两路、可调支撑、电源插孔、水平仪、水平仪、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阵列照明装置由LED阵列中各LED组成，所述LED阵列照明装置所产生的光由LED阵列中各LED发出的光叠加而成，所述LED阵列照明装置投射到载物台观察面得到光照强度均匀的照明区域，所述LED阵列照明装置各LED放置点放置三原色中的两种颜色LED，LED放置点按行列排布，所述LED阵列照明装置可选择光源颜色组合搭配，搭配颜色与观察目标相同，观察目标相同颜色部分变亮，或搭配颜色与观察目标颜色成补色关系，观察目标补色部分变暗，从而达到增强对比度的效果。
2.根据权利要求1所述的一种两色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组放置点，形成LED阵列；LED光源选择，采用的LED光源为两种类型的LED，包括A类和B类，各一颗组成一小组；首先是LED颜色类型选择，记为A类和B类，其中A类选取红色LED、或蓝色LED、或黄色LED，B类则选取除A类以外颜色类型的LED；其次是所选用LED的A、B两类具有相同视角θ，以确保计算光照强度时m取值相同，以及设计LED阵列时两类LED具有相同的最佳间距，其中参数m由确定，θ1/2定义为视角值一半的角度值。
3.根据权利要求1所述的一种两色LED阵列照明显微镜，其特征在于所述的LED阵列照明装置射出的光从镜座经载物台底部投射到观察面，在经过载物台底部光圈时选取所需照明区域，投射到观察面的光照强度分布均匀。
4.根据权利要求1所述的一种两色LED阵列照明显微镜，其特征在于所述LED阵列照明装置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阵列照明装置投射在观察面的光照强度分布均匀。
5.根据权利要求1所述的一种两色LED阵列照明显微镜，其特征在于所述LED阵列照明装置光照强度各类型LED独立可调，各颜色LED根据观察目标信息进行设置。
6.根据权利要求1所述的一种两色LED阵列照明显微镜，其特征在于所述LED阵列照明装置的LED类型组合可以根据显微镜使用需要进行确定。
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