CN209167669U - 一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置，所述的基于菲涅尔透镜的科勒照明装置包括：单色光源；第一透镜，该第一透镜的后焦点位置设置有孔径光阑；第二透镜，该第二透镜位于第一透镜和孔径光阑轴方向的远端，所述第二透镜与所述孔径光阑之间设置有视场光阑，该视场光阑位于所述第二透镜的前焦点位置处，其中，所述第一透镜和第二透镜为菲涅尔透镜，所述单色光源照射的光束经过所述第一透镜后于所述视场光阑处成像，而后再经过所述第二透镜后均匀照明像面，以有效地解决现有技术下光斑亮度均匀性难以保证且装置成本较高、光学镜头装调难度大的问题，在保证照明质量的同时，降低了照明设备整体的成本，并且提高了组装、装调以及照明的效率。

Description

一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置

技术领域

本实用新型涉及荧光显微镜技术领域，具体地说，涉及一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置。

背景技术

荧光显微镜是以特定波长的光源(通常为紫外线至近红外线波段)作为光源，用以照射被检物体，使之发出荧光，然后在显微镜下观察物体的形状及其所在位置的一种设备。荧光显微镜的光源在照明时，需要其提供足够强度的照明亮度，以此保证荧光的强度，与此同时，还要求保证照明的均匀性，以此保证观察效果。

现有技术下的荧光显微镜照明装置主要包括光源和聚光镜两个部分，通常采用的照明方式包括准直照明、临界照明以及科勒照明三种，但是在长期的实验和实践中人们发现上述的三种照明方式或多或少都存在一定的优缺点：

1)准直照明通常采用单片非球面准直透镜，准直透镜能将来自孔径阑中每一点的光线变成一束平行的准直光柱，准直后的光束照射到样品平面上，准直照明的方式只需要通过单片的准直透镜即可完成照明过程，但也由于这样简化的结构，使得准直照明的方式缺乏保证样品平面光斑亮度均匀性的手段，而光斑亮度不均匀会导致样品的观察效果受到较大影响；

2)临界照明通常是指适用于小投影物的聚光系统，聚光镜将光源的像成在投影物上或它的附近，通常被应用于电影放映机、幻灯机、影像放大机等领域，其具有光能利用率高的优点，但是光源的灯丝像与被检物体的平面重合，这样就造成被检物体的照明呈现出不均匀性，在有灯丝的部分则明亮；无灯丝的部分则暗淡，不仅影响成像的质量，更不适合显微照相；

3)科勒照明是指光源通过照明系统，将发光光源成像在后镜组的焦平面，以使得照射在样品平面上的光为平行光束，能够有效地保证照明的均匀性，且科勒照明的方式对光源的要求相较于准直照明和临界照明两种方式较低。并且，由于照明的均匀性，在样品平面上不会形成热焦点，因此，即使长时间照明也不会在样品平面出现灼伤，因而又被应用于生物组织成像技术领域。

图1为示意图，示出了现有技术下的一种荧光显微镜采用的科勒照明装置的成像过程。如图1所示，在现有技术下的该种荧光显微镜采用的科勒照明装置包括前置聚光镜组1a和后置聚光镜组2a，以及孔径光阑3a和视场光阑4a，其中，如图所示，孔径光阑3a与前置聚光镜组1a紧密贴合，视场光阑4a位于后置聚光镜组1b的前焦点位置，当光源5a射出光束，光束经过前置聚光镜组1a后成像在视场光阑4a上，而后经过后置聚光镜组1b后均匀照明无限远处的像面6a处。

在长期的试验和实践中人们发现，上述的这种荧光显微镜采用的科勒照明装置通常采用卤素灯或LED灯作为光源，采用三片玻璃单透镜作为前置聚光镜组，并采用单片非球面透镜或单片双胶合透镜作为后置聚光镜组。基于上述的这种现有技术中的荧光显微镜采用的科勒照明装置的光学形式中，使用的镜片数量较多，对光学镜头的装调过程有着严格的要求，且单片透镜和玻璃非球面透镜的成本都较高，极大地增加了成像装置整体的成本，且单片透镜和玻璃非球面透镜的质量也较大，致使装置整体的重量上升。另外，上述的这种科勒照明装置中，由于前置聚光镜组1a与孔径光阑3a紧密贴合，以致在系统像面上会得到前置聚光镜组1a的清晰成像，在长期反复使用过程中，前置聚光镜组1a表面不可避免地会发生各种瑕疵，继而会影响其在无限远处的像面上的照度分布，同理，由于这样的成像原理，也决定了前置聚光镜组1a无法采用具有凹槽结构的非光滑面光学元件，否则前置聚光镜组1a的非光滑凹槽表面会严重影响照明效果和质量。

有鉴于此，应当对现有技术下的科勒照明装置进行改进，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型是为了解决上述技术问题而做出的，其目的是提供一种可以有效地避免镜片面型对系统成像光斑亮度均匀性的影响，减少成像系统所需镜片数量以简化结构并降低成像装置整体成本，降低装调光学镜头装调难度、提高装调组装效率并且能够适用于多种不同波长的单色光源的基于菲涅尔透镜的科勒照明装置。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置，所述的基于菲涅尔透镜的科勒照明装置包括：单色光源；第一透镜，该第一透镜的后焦点位置设置有孔径光阑；第二透镜，该第二透镜位于所述第一透镜和所述孔径光阑轴方向的远端，所述第二透镜与所述孔径光阑之间设置有视场光阑，该视场光阑位于所述第二透镜的前焦点位置处，其中，所述第一透镜和第二透镜为菲涅尔透镜，所述单色光源照射的光束经过所述第一透镜后于所述视场光阑处成像，而后再经过所述第二透镜后均匀照明像面。

优选地，所述单色光源可以为单色LED光源，所述单色光源峰值波长可以在440nm至460nm的范围内，半波宽度可以在18nm至21nm的范围内。

优选地，所述第一透镜朝向所述单色光源的一面可以形成菲涅尔环带结构，所述第一透镜背向所述单色光源的一面可以为平面。

优选地，所述第二透镜朝向所述单色光源的一面可以为平面，所述第二透镜背向所述单色光源的一面可以形成菲涅尔环带结构。

进一步优选地，所述第一透镜和所述第二透镜可以采用聚丙烯酸类塑料材料。

优选地，所述孔径光阑以及所述视场光阑可以呈刃口状。

优选地，所述第一透镜和所述第二透镜都可以为平面菲涅尔面型。

根据上面的描述和实践可知，本实用新型所述的一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置中，采用单色LED灯作为光源，并选用两块菲涅尔透镜取代现有技术中的玻璃单透镜分别作为前置聚光镜组和后置聚光镜组，菲涅尔透镜加工周期短，且成本相较于现有技术中的玻璃球面镜大大降低，有利于设备量产化，且质量相较于现有技术大幅度减少；然后，再在两块菲涅尔透镜之间设置孔径光阑和视场光阑，并且使得孔径光阑位于前置聚光镜组的后焦点处，而视场光阑位于后置聚光镜组的前焦点处，这样，当单色光源发出光束后，先经过前置的菲涅尔透镜，通过孔径光阑并在视场光阑处成像，而后光束经过后置的菲涅尔透镜，最后在无限远处成像，这样，一方面通过减少了光学镜头的数量以及装调难度，提高了效率；更重要的是，有效解决了前置聚光镜组采用凹槽结构的非光滑光学元件时，镜片面形对系统像面光斑亮度均匀性的影响，使得光斑亮度更加均匀，以保证照明的质量。综上所述，本实用新型所述的一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置可以有效地解决现有技术下光斑亮度均匀性难以保证且装置成本较高、光学镜头装调难度大的问题，在保证照明质量的同时，降低了照明设备整体的成本，并且提高了组装、装调以及照明的效率。

附图说明

图1为示意图，示出了现有技术中的一种荧光显微镜采用的科勒照明装置的成像过程；

图2为示意图，示出了本实用新型所述的一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置的结构。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本实用新型所述的一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

图2为示意图，示出了本实用新型所述的一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置的结构。如图2所示，在本实用新型的一个实施例中所述的一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置包括单色光源1、第一透镜2、第二透镜3、以及设置于第一透镜2和第二透镜3之间的孔径光阑4和视场光阑5。单色光源1、第一透镜2、第二透镜3以及孔径光阑4、视场光阑5按照同一轴向方向设置。

具体地说，在本实用新型的该实施例中，单色光源1可以选用单色LED灯，具体地，单色LED可以为CREE Royal Blue。另外，单色光源1的峰值波长在440nm至460nm的范围内，半波宽度在18nm至21nm的范围内，在本实用新型的该实施例中，选用的CREE Royal Blue光源的峰值波长为450nm，半波宽度为20nm。由于可知的荧光染色剂的种类较多，其对应的照明光源波段从紫外线的波段延伸至近红外线的波段，为了适用于从紫外线波段到近红外线波段的多种单色光源，可以对第一透镜2和第二透镜3的面形进行优化，以提高本实用新型所述的科勒照明装置的适用性。

在本实用新型的该实施例中，第一透镜2和第二透镜3采用菲涅尔透镜，孔径光阑4设置于第一透镜2的后焦点处，视场光阑5设置于第二透镜3的前焦点处，即在轴方向上，孔径光阑4位于第一透镜2与视场光阑5之间，视场光阑5位于孔径光阑4与第二透镜3之间。

具体地说，第一透镜2朝向单色光源1的一面表面形成菲涅尔环带结构，第一透镜2背向单色光源的一面为平面，第二透镜3朝向单色光源1的一面为平面，第二透镜3背向单色光源1的一面表面形成有菲涅尔环带结构。在本实用新型的该实施例中，采用的菲涅尔透镜采用聚丙烯酸类塑料材料，采用注塑加工方式制备的菲涅尔塑料透镜的加工周期相较于现有技术中的玻璃球面镜大幅度降低，且生产成本也大幅度减少，单片成本可降至现有的玻璃球面镜的十分之一甚至更低，另外，采用聚丙烯酸类塑料材料可以使得菲涅尔透镜的质量大幅度降低，以达到对设备整体减重的目的。同时，在本实用新型的其他实施例中，也可以选用聚碳酸酯塑料材料，以同样达到上述目的。

孔径光阑4以及视场光阑5分别呈刃口状，通过光学装调保证孔径光阑4位于第一透镜2的后焦点位置，视场光阑5位于第二透镜3的前焦点处。

根据上面的描述和实践可知，本实用新型所述的一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置中，采用单色LED灯作为光源，并选用两块菲涅尔透镜取代现有技术中的玻璃单透镜分别作为前置聚光镜组和后置聚光镜组，菲涅尔透镜加工周期短，且成本相较于现有技术中的玻璃球面镜大大降低，有利于设备量产化，且质量相较于现有技术大幅度减少；然后，再在两块菲涅尔透镜之间设置孔径光阑和视场光阑，并且使得孔径光阑位于前置聚光镜组的后焦点处，而视场光阑位于后置聚光镜组的前焦点处，这样，当单色光源发出光束后，先经过前置的菲涅尔透镜，通过孔径光阑并在视场光阑处成像，而后光束经过后置的菲涅尔透镜，最后在无限远处成像，这样，一方面通过减少了光学镜头的数量以及装调难度，提高了效率；更重要的是，有效解决了前置聚光镜组采用凹槽结构的非光滑光学元件时，镜片面形对系统像面光斑亮度均匀性的影响，使得光斑亮度更加均匀，以保证成像的质量。综上所述，本实用新型所述的一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置既可以做为荧光显微镜的照明光源，也可作为荧光内窥镜的照明光源，可以有效地解决现有技术下光斑亮度均匀性难以保证且装置成本较高、光学镜头装调难度大的问题，在保证照明质量的同时，降低了照明设备整体的成本，并且提高了组装、装调以及照明的效率。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本实用新型所述的一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本实用新型所提出的基于菲涅尔透镜的科勒照明装置，还可以在不脱离本实用新型内容的基础上做出各种改进。因此，本实用新型的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (6)

1.一种基于菲涅尔透镜的科勒照明装置，其特征在于，所述的基于菲涅尔透镜的科勒照明装置包括：

单色光源；

第一透镜，该第一透镜的后焦点位置设置有孔径光阑；

第二透镜，该第二透镜位于所述第一透镜和所述孔径光阑轴方向的远端，所述第二透镜与所述孔径光阑之间设置有视场光阑，该视场光阑位于所述第二透镜的前焦点位置处，其中，

所述第一透镜和第二透镜为菲涅尔透镜，所述单色光源照射的光束经过所述第一透镜后于所述视场光阑处成像，而后再经过所述第二透镜后均匀照明像面。

2.如权利要求1所述的基于菲涅尔透镜的科勒照明装置，其特征在于，所述单色光源为单色LED光源，所述单色光源峰值波长在440nm至460nm的范围内，半波宽度在18nm至21nm的范围内。

3.如权利要求1所述的基于菲涅尔透镜的科勒照明装置，其特征在于，所述第一透镜朝向所述单色光源的一面形成菲涅尔环带结构，所述第一透镜背向所述单色光源的一面为平面。

4.如权利要求1所述的基于菲涅尔透镜的科勒照明装置，其特征在于，所述第二透镜朝向所述单色光源的一面为平面，所述第二透镜背向所述单色光源的一面形成菲涅尔环带结构。

5.如权利要求1、4中任一项所述的基于菲涅尔透镜的科勒照明装置，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜采用聚丙烯酸类塑料材料。

6.如权利要求1所述的基于菲涅尔透镜的科勒照明装置，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜都为平面菲涅尔面型。