TW201305597A - 螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置及其發光方法 - Google Patents

Abstract

本發明是一種可同時提供不同波長激發光的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，包括一基板、至少一個LED陣列及至少一光學元件，該LED陣列具有多數個未獨立封裝的LED晶片，設置於該基板並沿該光軸側向分布於該基板的一區域，該些LED晶片可發出不同波長的光，且該些LED晶片的發光面與該區域為彼此橫向設置，該光學元件用於調整該些LED晶片，令自該些LED晶片發出的光沿該光軸朝向該待測標的。此外，本發明也同時提供一種提供螢光顯微鏡多波長光源的方法。

Description

螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置及其發光方法

本發明是有關於一種螢光顯微鏡用的發光裝置，特別是指一種螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置。

螢光顯微鏡由於可讓使用者標示(lable)並觀察特定結構或分子，因此被廣泛地應用在生物或藥學的領域。螢光是一種化學過程，當特定波長的光照射在可吸收螢光的分子時，電子會從初始能階被激發至高能階，即所謂激發態(excited state)，而在激發態的電子經過極短時間(奈秒，nanosecond)的停留後，會以光的形式釋出能量(且釋出的波長會長於原波長)而回到低能階(lower state)，此過程即為螢光發光或是螢光。

典型的螢光顯微鏡是一種具有可提供單一或多種的激發波長(exciting wavelength)的發光裝置，利用單一或多種的波長激發一種或多種螢光物質/分子(或是稱為螢光染料)而可得到單一或多種的放射光譜。利用不同螢光分子的選擇可得到不同的螢光放射光譜，而由於不同的螢光分子會有不同的激發波長，因此於同一實驗進行時，可選擇具有不同激發波長的螢光分子，而不會影響實驗結果。理想的激發光應該具有窄波長帶寬，且在所選分子的被激發波長有峰值輸出，此外，因為螢光多發生在較低的訊號能階，而螢光顯微鏡由於其觀測視野的發光強度均勻性佳，因此在應用上，若能進一步控制發光區域的大小及形狀則會更理想。雖然要同時達到前述的要求有其難度，但是為符合未來應用的需求，提升亮度控制及均一性則是須努力的方向。

傳統螢光顯微鏡大多依賴金屬鹵化物弧光燈，例如氙燈或高壓汞燈為光源。這些光源由於發光頻譜較寬，因此須配合使用濾光片以選擇適用的發光波長，然而，由於選用的波長通常僅是前述光源所發出之頻譜範圍的一小部份，主要的輸出波長幾乎都無法利用，因此，對這些光源而言，是利用效率極低的方式；此外，搭配光源使用的濾光片價格昂貴，尤其是可進行多種波長選擇的濾光片其價格更是不斐。

此外，以金屬鹵化物弧光燈為光源之螢光顯微鏡，於進行濾光片切換做不同的波長選擇時，其切換速度會受限於機械移動濾光片的速度，再者，金屬鹵化物弧光燈的壽命也會受到燈泡的限制，而只有約~2000小時的壽命，且光源的輸出功率也會隨著燈泡的使用而遞減；而當使用者進行複雜且昂貴的光源更換過程後，又須在無任何保證的條件下自行進行光學元件的重新校正，也可能導致校正後的螢光顯微鏡的效能無法達到要求之標準；這些缺點都會使實驗結果的一致性降低，而且也會增加使用者的使用難度。

參閱圖1，圖1是習知具有濾波片轉輪(102)(filter wheel)的發光裝置，該濾波片轉輪(102)可沿著箭頭指示方向(103)轉動而令光線通過擴散片(104)及聚焦透鏡(105)向外發出。由於使用的金屬鹵化物弧光燈(100)為一發散光源，因此，需要特別的光學處理才可令該金屬鹵化物弧光燈(100)的照射區域具有較佳的均勻性。典型的凱勒光源系統(Koehler illumination)還會包括例如分散擴散器(dispersive diffuser)(圖1所示的擴散片104)，或是視野光闌(field stop)和光圈(圖未示)；然而，這些都會減低該金屬鹵化物弧光燈(100)的效率，此外，金屬鹵化物弧光燈(100)的使用壽命受限於燈泡的壽命而僅有數百小時，且其發光強度也會隨著使用的時間而衰減。而大多數的光源使用前都須約30分鐘的暖機時間，也會對進行敏感試樣量測的使用者造成不便。由於燈泡的壽命短，因此需要時常進行燈泡的更換，此不僅增加使用的不便，也會增加使用的成本。為了讓該金屬鹵化物弧光燈(100)發出的光與該濾波片轉輪(102)校準，通常需要調整設置在該金屬鹵化物弧光燈(100)後的反射鏡(101)朝向箭頭方向(107、108)調整而令反射鏡(101)在不同方向(106)移動，此過程雖並不冗長，但是卻需要訓練方可達到，因此，對大多數的使用者而言，這些光學元件是陌生且不易操控。

近年來，為了解決前述以金屬鹵化物弧光燈(100)為多波長發光源的問題，逐漸發展出利用可發出多色光的LED晶片為光源的螢光顯微鏡。LED光源不僅具有壽命長(>10,000小時)的優點，而且LED光源的輸出功率於使用期間幾乎可保持不變，此外，LED光源發出的波長頻譜較窄(<30nm)，因此可以不需再額外搭配使用濾光片，而更適用於螢光顯微鏡。而LED光源的強度可以藉由電流的調整，可快速且精確的控制，不像習知的金屬鹵化物弧光燈(100)，因為光輸出強度為固定，因此需藉由光圈或是不同的濾片來調整進入顯微鏡的光量。

多波長LED發光裝置雖然可彌補前述金屬鹵化物弧光燈(100)的限制，但卻因為需要較多的光學元件而會增加結構的複雜性，而會耗費較高的成本。LED晶片會發出較窄的波譜頻寬(10~30nm)因此適用於一般螢光顯微鏡的要求，而且不像金屬鹵化物弧光燈，LED晶片的壽命超過1000小時且不需要暖機時間即可達到完全輸出的條件；而且每一個LED晶片發出的光都可視為點光源，因此，可更容易控制讓輸出光強度更均勻分布。

參閱圖2，圖2是習知LED發光裝置的具體例。該LED發光裝置發出的每一個波長的光會來自不同的LED模組(201~204)，且每一個LED模組(201~204)會具有多數個LED晶片。而習知因為每一個LED晶片均為獨立封裝，因此，由該些獨立封裝之LED晶片所封裝組成的LED模組(201~204)，其封裝後的體積會較大，因此，該每一個LED模組(201~204)都會再需要一個獨立的集光透鏡及準直透鏡(201A~204A)，之後再利用二向色分光鏡(205~207)改變光路徑而讓不同波長的光線混合，再經過光圈(208)、聚焦透鏡(209)後向外輸出。此外，為了收集最大量的光，習知的LED發光裝置需要較大之數值孔徑的透鏡，這些透鏡不僅會增加成本且會增加發光裝置整體的體積。此外，該LED發光裝置可以裝設的LED模組數量也會受限於配合使用之光學元件所造成的成本及複雜度。

目前常用於螢光顯微鏡的LED發光裝置已發展到可使用5個可發出不同波長的獨立LED模組，且該每一個LED模組至少包含一個LED晶片。然而，由於該每一模組的LED晶片均為獨立封裝，因此封裝後該每一模組所占的體積會較大，所以需要合併使用光學元件以調整自該每一模組發出的光束。即，雖然使用LED發光裝置可令使用者更方便且容易更換不同波長之光源，然而由於LED發光裝置配合每一個LED模組所額外使用的元件，例如透鏡、鏡片、散熱塊等，都會增加LED發光裝置的佔用空間及結構複雜度，且會使成本大幅提升。此外，為了要整合自該些LED晶片各自分散發出的光束，因此需要較長的光路徑，而這也使得要將自該LED晶片所發出高度發散的光束整合並形成所要光形的難度更為增加。而前述光強度及空間均勻性的問題也同時限制了LED發光裝置於螢光顯微鏡的應用。

因此，本發明之目的，即在提供一種螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置。

此外，本發明之另一目的，為一種提供螢光顯微鏡多波長光源的方法。

於是，本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，包含一基板、至少一LED陣列，及至少一光學元件。

該LED陣列具有多數未獨立封裝的LED晶片，設置於該基板並沿該光軸側向分布於該基板的一區域，該些LED晶片可發出不同波長的光，且該些LED晶片的發光面與該區域為彼此橫向設置。

該光學元件用於調整該些LED晶片，令自該些LED晶片發出的光沿該光軸朝向該待測標的。

此外，本發明提供螢光顯微鏡多波長光源的方法，包含以下三個步驟。

準備一多波段發光二極體陣列發光裝置，包括一基板、至少一設置於該基板並具有多數未獨立封裝之LED晶片的LED陣列，且該些LED晶片會發出不同波長範圍的光。

提供電流至該些LED晶片，令該些LED晶片同時發出不同波長的光。

控制輸入至該些LED晶片的電流，令不同的螢光染料同時暴露在自該些LED晶片發出的不同激發波長環境。

本發明之功效在於：利用具有多數個可發出不同波長且未獨立封裝之LED晶片所組成的LED陣列，不僅可減小LED光源的體積，且可同時提供不同波長的激發光，避免習知使用不同的激發光波長必須更換光源的缺點，此外，還可快速調整輸出光的波長及強度，而更便於使用。

本文中所提到的所有專利、專利申請案、文章、書籍、說明書、刊物及文件，在此一併作為本案整體之參考的用途。對於該任一經合併之刊物、文件及事物與本發明之本文兩者間於定義上或專有名詞的使用上有不一致或相衝突的範圍，本發明所使用的專有名詞或定義應勝於前述刊物、文件及事物。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式與具體例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

本發明為提供一種小型化的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，包括至少一個LED陣列及至少一光學元件，用以提供高強度且空間分布均勻性佳的輸出光。該LED陣列含有多個群組，每一個群組具有多個可發出相同波長的LED晶片，該些群組發出的波長均不相同，並可經由電子控制器獨立控制。此外，每一群組也可具有多個可發出不同波長的LED晶片，任一群組所發出之光的波長與其它群組所發出之光的波長不同，且不同群組所發出的光波長會有重疊的部份。

利用可發出多波長之LED陣列有許多優點，例如，可將各自獨立控制的行列整合、可在相同的實驗中提供不同波長的激發光激發不同的螢光分子或染料，且可以避免不同的使用者因使用不同的激發光波長而必須更換激發光源的缺點，而且，由於每一群組的LED晶片可發出多波段，因此可快速的調整輸出光的波長及調整出光強度。此外，該LED陣列還可沿著與該光軸垂直的方向橫向移動，藉以調整讓該些LED晶片沿著該光軸排列而提升其光學效能。

排列在該LED陣列之後的光學元件是用以收集光線並將收集的光線再成型後向外輸出，而可提升光耦合效率及均勻性。形成於該LED陣列表面的透鏡是用來增加光萃取率；而具有大數值孔徑的透鏡則是用來收集光線並將其送到可讓光束具有較佳空間均勻性的光擴散器；光圈則是用來移除光束邊緣不必要的光線，接著則為具有較大孔徑/直徑的聚焦/準直透鏡，之後光束可直接進入螢光顯微鏡或是可再增加額外的光學元件，例如光纖偶合器(fiber couple)或光束擴展器(beam expander)再進一步調整輸出光束的光型。此外，該多波段發光二極體陣列發光裝置還可將該光學元件的位置沿著光軸做細部調整，以補償不同廠牌顯微鏡產生之光學差異。較佳地，該LED陣列還可進行橫向移動調整，以令該LED陣列的預設區域可沿光軸排列，而具有更佳的光學效能。而可交換的轉接頭還可讓該發光裝置適用於不同品牌的顯微鏡。經由該多波長發光裝置所發出之光束具有高亮度及高均勻度，可更確保螢光試樣所接收之光束為一致且具有再現性。

本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置是將LED陣列以緊密封裝(densely packed)方式封裝，且該每一個LED陣列的LED晶片均無獨立封裝，因此也可讓該些LED晶片更緊密的靠置，而可具有小型化的優點，且可使用比習知LED發光裝置更少的光學元件。該每一LED陣列的LED晶片為設置在同一基板上，且以單一封裝方式將該些LED晶片封裝形成LED陣列。該LED陣列的發光形狀為圓形，且直徑不大於25mm，更佳地，該LED陣列的直徑介於8~15mm。該LED陣列提供的波長可經由該些LED晶片的發光波長設計及使用者的需求而有不同的變化，本發明具體例為具有至少可發出4種波長的LED晶片，甚至可多達8、10或12種波長。由於該LED陣列提供的波長可經由該些LED晶片的發光波長設計及使用者的需求而有不同的變化，如此可更便於多個使用者的使用，且由於可提供多種不同波長的光，因此，更方便於單一實驗中需要不同激發光的實驗所使用。

參閱圖3、圖4A，圖3是本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置的一具體例的方塊圖，圖4A是具有光學元件的具體例的細部元件示意圖。

圖4A所示之LED陣列(4A01)具有多數LED晶片(圖未示)，且發出的光線呈朗伯分布(Lambertian distribution)。而由於該些LED晶片一般具有較高的折射率(GaAs-based LED晶片折射率為3.4；GaN-based LED晶片折射率為2.3)，因此於半球形透鏡(4A02)與該些LED晶片之間具有折射率低於該些LED晶片的矽膠填充劑，用以減低全反射，提升光取出率。當分散的光線經由該具有半球形透鏡(4A02)之LED陣列(4A01)發出後會立即被具有高數值孔徑的集光透鏡(4A03)收集，之後再經過擴散器/擾頻器(4A04)及光圈(4A05)後令光束均勻化，而讓進入顯微鏡的光線強度更均勻化。

該擴散器(4A04)可選自任何可將光線均勻分散的方式達成，例如，可使用具有隨機粗化結構的表面，或是選自箝有繞射粒子的表面。於本具體例中該擴散器(4A04)選自工程用光擴散板，可讓光線形成非高斯分佈的圓形頂帽型(top hat)光束圖案，可比選用傳統光擴散板得到更佳且更均勻的光束強度分佈。此外，為了得到更佳的光束均勻度，該擴散器(4A04)還可具有多個微透鏡(microlenses)，用以讓入射光形成預定光型，例如圓形、方形、線形等，還可令光線具有更佳的均勻性。於本具體例中該擴散器(4A04)為可讓入射光線形成圓形光束。

進一步說明，聚焦透鏡或準直透鏡(4A06)設置在入射光線進入顯微鏡(4A11)前的光路徑末端，具有較大的數值孔徑及直徑，雖然於此並未詳細說明，但是凡可提升光束聚集、準直、及收集之透鏡，均屬本發明之範圍。圖4B為本發明另一具體例之光學元件的側視圖，圖4B是以集光透鏡(4B03)及擴散器(4B04)為光收集及光擴散用，於圖4A及4B中，該集光透鏡(4A03、4B03)及該聚焦透鏡(4A06、4B06)的位置可分別沿箭頭(4A03’、4A06’)所指方向沿光軸調整。要說明的是，當圖4B所示的集光透鏡(4B03)調整時，該擴散器(4B04)及光圈(4B05)也需同時調整以相互配合，藉由該些透鏡的可調性不僅可讓該多波段發光二極體陣列發光裝置達到最佳性能，並可使用於不同品牌的顯微鏡。圖4A中，為利用兩個調整裝置(4A08、4A09)分別調整該集光透鏡(4A03)及該聚焦透鏡(4A06)，利用調整裝置(4A10)調整該LED陣列(4A01)沿該箭頭(4A07)指示方向移動，該些調整裝置(4A08、4A09、4A10)也可視設計加以整合，例如整合成為一個調整裝置，由於此等變化為本技術領域者知悉，因此不多加贅述。圖4B之(4B01~4B06)元件與圖4A之(4A01~4A06)的元件大致相同，該聚焦透鏡/準直透鏡(4A06、4B06)用以將光束導引至顯微鏡(4A11)內的待測標的物。此外，圖4B還顯示一可用以連接到不同顯微鏡(圖未示)的轉接頭(4B07)，及一與該LED陣列(4B01)背面接合的散熱塊(4B08)。

參閱圖5A、5B、5C，圖5A、5B是僅具有如圖4A所示之半球形透鏡(4A02)之具體例的光輸出功率的極座標及直角座標圖，而圖5C則是具有不同孔徑直徑及不同角度之頂帽型(top-hat)擴散器(4A04)的發光裝置其光通過區域的光強度結果。由圖5A、5B的結果可知，該具有半球形透鏡(4A02)的LED陣列(4A01)可發出相當寬的光束，但是光通過區域的強度均勻性不佳，而由圖5C的結果可知，經過孔徑直徑為12mm擴散器(4A04)的光束會比通過孔徑直徑為15mm擴散器(4A04)的光束要窄，但是整體而言，所得到的光束均勻性均佳，且都會有一定義明顯的光束邊界。

本發明之光學元件是用以使經由緊密封裝之LED陣列(4A01)發出之光，沿光軸行進而形成點光源，然而，如果固定位置之LED陣列(4A01)提供的各種不同波長的光的均勻性不足時，還可架設一個可移動該LED陣列(4A01)的移動裝置(4A10)，該移動裝置(4A10)可調整該LED陣列(4A01)沿該箭頭(4A07)指示方向，朝向x-軸或y軸方向移動，而可調整該LED陣列(4A01)的發光部分。在利用具有多數可發出不同光色及波長之LED晶片的LED陣列(4A01)時，該些LED晶片的設置位置應距離應相對靠近該光軸(例如該些LED晶片設置在距離該光軸不小於10或15mm的位置)，以便在不需移動任何LED陣列(4A01)的條件下仍可得到良好的出光均勻性。

然而，為了得到最好的輸出光均勻性，LED陣列及光學元件都可調整移動至一較佳的排列位置，達到較佳的光學位置，令輸出光可形成點光源，而達到最佳的光學效能。例如，如圖4A顯示，沿該箭頭(4A07)方向移動可讓該LED陣列(4A01)的不同區域沿該光軸排列，圖6A之移動方向(6A01、6A02)則更詳細說明該LED陣列的移動自由度。參閱圖6A，圖6A是本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置之LED陣列的一具體例，該LED陣列具有多數個固設在一基板的LED晶片，該基板為一般支撐基材(例如PCB)，且該些LED晶片可區分成四個可發出四個不同波長(390nm、470nm、520nm、610nm)的次單元。於一般應用條件下，部份的LED晶片會選自可發出紫外光波長範圍的LED晶片，而其餘的LED晶片則視所使用之螢光染料的激發波長加以選擇，該每一個次單元的LED晶片彼此為緊密排列，且為沿著該光軸設置。

圖6B則說明本發明該些LED陣列的另一具體例，說明具有多個設置在一基板(例如PCB)並相鄰排列的LED陣列(陣列1~陣列4)。該每一LED陣列均對應罩設一半球型透鏡，且都可使用移動裝置沿箭頭指示之移動方向(6B01、6B02)調整該些LED陣列的位置，而可調整讓位於不同的區域或不同的LED陣列沿該光軸排列。且該每一LED陣列的LED晶片所發出的波長範圍均不相同。

此外，圖6A所示之每一個次單元為分別發出單一波長，而此對同時需要不同激發波長的多種螢光分子而言是不夠的，因此，該任一個次單元所包含的LED晶片可選自可發出不同波長的LED晶片，如此，可不需要移動LED晶片即可利用單一次單元同時提供不同的激發波長。

要說明的是，多波長的混合也是常用之技術，於本發明可藉由次單元之LED晶片的發光波長選擇而可達到不同波長的混光效果；較佳地，可令任一個次單元的LED晶片所發出的光波長會不同於其他次單元所發出之光波長。

本發明的具體例說明該螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置產生的光不僅具有高強度且在光照射區域具有極佳的均勻性。該發光裝置產生的光可直接進入螢光顯微鏡或是可經由光學元件改變光型。圖7A是本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置還包括一具有光學透鏡(7A01~7A03)之光擴束單元(7A00)的具體例。該光學透鏡(7A01~7A03)設置在光通過聚焦透鏡/準直透鏡(4A06)後的光路徑末端。圖7B與圖7A所示的該具體例大致相同，不同處在於圖7B於該聚焦透鏡/準直透鏡(4A06)與光擴束單元(7A00)之間設置一用以改變光線行進方向的反射鏡(7B04)，如此可使封裝更便利且更緊密。此外，要說明的是，雖然除了圖4B外沒有更進一步的圖式說明，本發明之多波段發光二極體陣列發光裝置也可具有不同轉接頭，用以與不同廠牌顯微鏡的光學插槽彼此配合。

圖8是本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置的另一具體例，說明以導光管(804)作為擴散器，利用集光透鏡(807)跟導光管(804)入口(803)的間隔距離(807)變化調整有效孔徑尺寸。該導光管(804)是選自壓克力為材料並內箝複數個繞射粒子，可用以取代如圖4A及4B所示之擴散器(4A04、4B04)及光圈(4A05、4B05)。跟光纖相似，該導光管(804)位於該集光透鏡(802)與聚焦透鏡(806)之間，具有一靠近該集光透鏡(802)的入口(803)與一靠近該聚焦透鏡(806)的出口(805)，該導光管(804)與該集光透鏡(802)的間隔距離(807)會決定該導光管(804)的接收角，因此，該導光管(804)可藉由該間隔距離(807)的調整而視為可變孔徑。

除此之外的元件，例如透鏡或光擾頻器(scrambler)，則可用以將光束再成型或是改變光束的空間分佈，而其他的光學元件也可用以改變光線的光譜分佈。使用螢光顯微鏡的好處是會有一較窄的發光頻譜，所以使用具有窄帶通濾波片(narrow bandpass filter)也可用於進一步降低LED晶片的光譜分佈。圖10說明本發明多波段LED陣列發光裝置具有一窄帶通濾波片的具體例，且該窄帶通濾波片設置在一濾波片轉輪(1001)上且該濾波片轉輪(1001)可沿箭頭(1002)所指方向轉動。以目前濾波片技術而言，可將通過的光譜帶寬降低至小於1.0nm。然而，濾波片同時也會降低光功率(optical power)，因此，濾波片使用與否係由使用者在窄發光頻譜及高光強度之間的選擇自行決定。

又，本發明圖3所示的具體例還可具有一LED電流驅動器(LED current driver)，及一電子控制器(electronic control)。該LED電流驅動器的目的是將交流-直流電源供應器(AC-to-Dc power supply)提供的電流轉換成直流電，並提供定電流至每一個LED晶片。圖9A為本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置的另一具體例，該LED陣列具有24個未單獨封裝的LED晶片(9A01)，且該些LED晶片(9A01)固設在一基板(9A02，例如PCB)上。圖9B是圖9A的側視圖，該LED陣列具有一半球形透鏡(9A03)，圖9C是圖9A所示之該些LED晶片(9A01)排列的一具體例。該些LED晶片(9A01)共會發出8個波段，每一個波段有3個LED晶片(9A01)，而將該些LED晶片(9A01)分成8個群組。例如圖9C所示，以編號1~8表示8個不同之發光波長，該些具有不同編號的LED晶片(9A01)則表示其所發出之波長。如此，該多波段發光二極體陣列發光裝置可具有8個LED電流驅動迴路，每一個LED電流驅動器可提供定電流至該每一群組的LED晶片(9A01)。因此，當使用該如圖9C所示的發光裝置時，每一個LED電流驅動器即會驅動一個群組的三個LED晶片(9A01)。

圖9C所示之LED陣列的發光區域，其側視直徑小於25mm，較佳地，其側視直徑介於8~15mm。當移動該LED陣列朝向箭頭(9C01、9C02)所示方向移動時，即可讓預定的LED晶片(9A01)沿著光軸(圖未示)排列，如此則可選擇用於螢光顯微鏡的預定波長。亦即，利用前述LED晶片(9A01)排列的安排，使用時可不用像習知所述，要使用不同波長時需替換不同的LED模組，也不用使用二向色分光鏡或是其它的光結合光學件等光學元件。

而本發明圖3所示的電子控制器可用以執行多種功能。其主要功能是用於開、關該LED陣列，及控制該LED陣列的亮度。可利用該電子控制器直接調整該LED電流驅動迴路提供至該LED陣列的電流，或直接切斷電流即可達成。而亮度的控制則可藉由改變該LED電流驅動器提供至該LED陣列的電流值達成。

如圖3所示，使用者可經由電腦介面及/或人工介面，將資訊輸入電子控制器。該電腦介面的其中一具體例是經由USB連接埠。軟體可內建在使用者的電腦，並經由該USB連接埠傳送資訊至該電子控制器。該電子控制器的微處理器則會經由內建之軟體處理該資訊後再將其輸出控制LED電流驅動器，而控制該發光裝置的狀態。手動的使用者介面則可使用開關、旋鈕、專用顯示面板等，讓使用者可直接選擇所需的波長及發光亮度，而不需再額外使用電腦控制。

本發明該具體例由於使用USB介面，因此需再以另一獨立的電腦進行LED陣列的開、關控制，其控制的速度受限於內建在該電子控制器的微處理器。因此，若需要更快的應答時間，例如次微秒(sub-microsecond)，則該電子控制器可採用數位或類比的方式直接開、關LED電流驅動迴路或選擇所需的波長，此外，還可進一步控制所選波長的發光亮度。從一波長轉換至另一波長的處理速度受限於內建在該電子控制器的微處理器。而本發明該具體例可使LED陣列的位置橫向移動，可讓所選波長沿著光軸排列最佳化，可讓波長轉換的處理速度由該LED陣列橫向移動的速度所控制。

部份螢光染料分子會有較快的衰變時間，而可能需要同時控制輸入至該LED晶片的電流脈衝而進行同步脈衝光源發射。較佳地，可控制在頻率高於100Hz的條件下提供電流脈衝。

綜上所述，本發明前述的具體例的優點如下：

所有預設的波長/顏色都會共同形成在一LED陣列並設置在單一基板，因此，可避免如習知所述，變換波長時須變更LED模組的問題，也不必使用二向色分光鏡或是其它的光結合光學件等光學元件。

為了令光束範圍產生的螢光達到一致，可藉由LED陣列延伸點光源性質的精密光學設計，在發光範圍提供高亮度且高均勻性的光束。該光學設計包含了具有高數值孔徑的集光透鏡、擴散器、光圈，及一具有相對較高孔徑/直徑的聚焦透鏡/準直透鏡。

使用非傳統的圓形圖案化之頂帽型擴散器做為光擴散及均勻化元件，可用以進一步提升光均勻化的效果。

雖然在許多應用中LED陣列可視為點光源，然為了達到輸出光束最佳的空間分佈均勻性，本發明於不同具體例中令LED陣列沿著光軸橫向移動，而可讓該LED陣列的預定發光位置(波長)最佳化。(相同的概念也可應用在使用多個LED陣列的實施態樣)

利用可發出窄頻譜的LED光源取代習知會發出寬頻譜的光源(例如金屬鹵化物弧光燈)，可減少輸出光的浪費同時也可避免使用濾波片(無論是滑動式，可替換的濾波片，或是設置在濾光輪片或色輪的多波長濾波片)

儘管前述所指本發明可避免使用濾波片，但是當使用要求比LED晶片本身所能提供的波長更窄的頻譜寬度時，也可使用濾波片以達到要求。

特殊的光學元件態樣，包含用以提升光取出性的半球形透鏡、集光透鏡、擴散/散射/均勻化元件、光圈，及光束的聚焦/準直透鏡。

於光路徑中還可具有可改變光學路徑的雙向反射鏡。

可使用具有繞射粒子的導光管，取代前述實施例所述之擴散器及光圈，而該導光管的有效孔徑則是取決於該導光管本身，例如導光管的位置或是與集光透鏡的距離。

於前述實施例中，該集光透鏡及聚焦透鏡的位置是可調整的，如此可讓發光裝置在不同顯微鏡均可達到最佳光學效能。

使用電子控制器可快速的執行所選定波長的開、關作動。可藉由電腦通過該USB連接埠傳送資訊至該電子控制器，或是可採用數位或類比的方式直接開、關LED電流驅動迴路或選擇所需的波長。

在單一LED陣列中同時具有不同預定波長，因此可藉由電子控制器快速的在不同的波長/顏色之間變換，而不需要轉動或移動該LED陣列的位置，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例與具體例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內

4A01．．．LED陣列

4A02．．．半球形透鏡

4A03．．．集光透鏡

4A03’．．．箭頭

4A04．．．擴散器

4A05．．．光圈

4A06．．．聚焦透鏡

4A06’．．．箭頭

4A07．．．箭頭

4A08．．．調整裝置

4A09．．．調整裝置

4A10．．．調整裝置

4A11．．．顯微鏡

4B01．．．LED陣列

4B02．．．半球形透鏡

4B03．．．集光透鏡

4B04．．．擴散器

4B05．．．光圈

4B06．．．聚焦透鏡

4B07．．．轉接頭

4B08．．．散熱塊

6A01．．．移動方向

6A02．．．移動方向

6B01．．．移動方向

6B02．．．移動方向

7A00．．．光擴束單元

7A01．．．光學透鏡

7A02．．．光學透鏡

7A03．．．光學透鏡

7B04．．．反射鏡

801．．．LED陣列

802．．．集光透鏡

803．．．入口

804．．．導光管

805．．．出口

806．．．聚焦透鏡

807．．．間隔距離

9A01．．．LED晶片

9A02．．．基板

9A03．．．半球形透鏡

9C01．．．箭頭

9C02．．．箭頭

1001．．．濾波片轉輪

1002．．．箭頭

圖1是一示意圖，說明習知具有濾波片轉輪的發光裝置；

圖2是一示意圖，說明習知利用可發出不同波長之LED模組的LED發光裝置；

圖3是一方塊圖，說明本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置之具體例的元件及功能；

圖4A是一示意圖，說明本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置具有擴散器之態樣；

圖4B是一剖視圖，說明本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置的光學元件；

圖5A是一極座標圖，說明本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置包括一設置在LED陣列後的半球形透鏡之具體例的光輸出燭光極座標圖；

圖5B是一直角座標圖，說明本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置包括一設置在LED陣列後的半球形透鏡之具體例的光輸出燭光直角座標圖；

圖5C是一數值圖，說明本發明具體例之光學元件在不同孔徑及擴散器條件下的光束均一性量測結果；

圖6A是一透視圖，說明本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置之LED陣列沿該光軸橫向排列的態樣；

圖6B是一示意圖，說明本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置之LED陣列沿該光軸橫向排列的態樣，且該每一個LED陣列具有一個半球形透鏡；

圖7A是一示意圖，輔助說明自圖4所示之螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置發出之光進入變焦透鏡系統後展開及收斂的示意說明；

圖7B是一示意圖，輔助說明於圖7A所示之螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置還可具有一用以改變光行進方向之反射鏡的態樣；

圖8是一示意圖，說明本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置還可於該集光透鏡後設置一導光管，用以改變光束尺寸；

圖9A是一示意圖，說明本發明螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，其中該LED陣列具有24個未獨立封裝之LED晶片的具體例；

圖9B是一側視示意圖，輔助說明圖9A；

圖9C是一示意圖，說明該螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，其中一LED陣列的LED晶片配置態樣，該LED陣列可發出8個波段，每一波段使用3個LED晶片；及

圖10是一示意圖，說明如圖4所示之多波段發光二極體陣列發光裝置還可更含有一窄頻濾波片轉輪，用以進一步窄化不同波長的頻譜帶寬。

4A01．．．LED陣列

4A02．．．半球形透鏡

4A03．．．集光透鏡

4A03’．．．箭頭

4A04．．．擴散器

4A05．．．光圈

4A06．．．聚焦透鏡

4A06’．．．箭頭

4A07．．．箭頭

4A08．．．調整裝置

4A09．．．調整裝置

4A10．．．調整裝置

4A11．．．顯微鏡

Claims (24)

1. 一種螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，用於提供沿光軸行進的光朝向待測標的，包含：一基板；至少一LED陣列，該LED陣列具有多數個未獨立封裝的LED晶片，設置於該基板並沿該光軸側向分布於該基板的一區域，該些LED晶片可發出不同波長的光，且該些LED晶片的發光面與該區域為彼此橫向設置：及至少一光學元件，用於調整令自該些LED晶片發出的光沿該光軸朝向該待測標的。
2. 依據申請專利範圍第1項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，其中，該些LED晶片的發光面實質成半球形，且直徑不大於25mm。
3. 依據申請專利範圍第1項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，其中，該些LED晶片與該光軸的距離不大於15mm。
4. 依據申請專利範圍第1項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，其中，該些LED晶片與該光軸的距離不大於10mm。
5. 依據申請專利範圍第1項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，其中，該LED陣列包括複數個具有多數LED晶片的次單元，該多波段發光二極體陣列發光裝置還包含一移動裝置，用以令該基板沿該光軸橫向移動，而讓其中預定發光的次單元沿該光學元件排列。
6. 依據申請專利範圍第1項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，包含複數個LED陣列，該每一個LED陣列具有多數個設置於該基板的LED晶片，且該多波段發光二極體陣列發光裝置還包含一移動裝置，用以令該基板沿該光軸橫向移動，而讓其中預定發光的LED陣列沿該光學元件排列。
7. 依據申請專利範圍第6項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，其中，該些LED陣列彼此會發出不同波長的光。
8. 依據申請專利範圍第6項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，其中，任一個LED陣列均會發出多種不同波長範圍的光。
9. 依據申請專利範圍第1項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，包含複數個LED陣列及複數個光學元件，每一個光學元件會對應每一個LED陣列鄰近設置，且該多波段發光二極體陣列發光裝置還包含一移動裝置，用以令該基板沿該光軸橫向移動，而讓其中預定發光的LED陣列及相對應的光學元件沿該光軸排列。
10. 依據申請專利範圍第9項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，其中，該些LED陣列彼此會發出不同波長的光。
11. 依據申請專利範圍第10項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，其中，任一個LED陣列均會發出多種不同波長範圍的光。
12. 依據申請專利範圍第1項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，其中，該些LED晶片會發出紫外光波長範圍的光。
13. 依據申請專利範圍第1項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，其中，該光學元件具有一半球形透鏡。
14. 依據申請專利範圍第1項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，還包含一多波段濾波片。
15. 依據申請專利範圍第1項所述的多波段發光二極體陣列發光裝置，還包含一收集通過該光學元件之光線的集光透鏡，及一可將光線聚集成光束導引朝向標的物的聚焦透鏡。
16. 依據申請專利範圍第15項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，還包含一調整裝置，用以調整該光學元件、集光透鏡及聚焦透鏡與該顯微鏡的距離。
17. 依據申請專利範圍第15項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，還包含位於該集光透鏡，及該聚焦透鏡之間的一擴散器及一光圈。
18. 依據申請專利範圍第1項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，還包含一反射鏡及一導光管，用以導引通過該光學元件的光朝向標的物。
19. 依據申請專利範圍第18項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，其中，該導光管具有一箝入式擴散元件。
20. 依據申請專利範圍第1項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，還包含一電子控制器，用以提供電流至該LED陣列，及至少一用以接收電腦或人為指令，用以控制該電子控制器提供之電流的介面。
21. 依據申請專利範圍第1項所述的螢光顯微鏡用多波段發光二極體陣列發光裝置，還包含一頂帽型擴散器。
22. 一種提供螢光顯微鏡多波長光源的方法，包含：準備一多波段發光二極體陣列發光裝置，包括一基板、至少一設置於該基板，並具有多數個未獨立封裝之LED晶片的LED陣列，且該些LED晶片會發出不同波長範圍的光；提供電流至該些LED晶片，令該些LED晶片同時發出不同波長的光；及控制輸入至該些LED晶片的電流，令不同的螢光染料同時暴露在自該些LED晶片發出的不同激發波長環境。
23. 依據申請專利範圍第22項所述的提供螢光顯微鏡多波長光源的方法，其中，控制部份LED晶片於該些螢光染料的衰變時間內同步發光。
24. 依據申請專利範圍第23項所述的提供螢光顯微鏡多波長光源的方法，其中，控制部份LED晶片在頻率大於100Hz的條件下同步發光。