一種用于光學(xué)顯微鏡照明系統(tǒng)的led自由曲面透鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及L邸照明領(lǐng)域，具體設(shè)及一種用于光學(xué)顯微鏡照明系統(tǒng)的LED自 由曲面透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002] 顯微鏡是一種精密的光學(xué)儀器，目前已應(yīng)用在眾多領(lǐng)域，尤其是在生物學(xué)，醫(yī)學(xué)， 實(shí)驗(yàn)教學(xué)等領(lǐng)域。其性能的高低，主要決定于光學(xué)系統(tǒng)，如物鏡，目鏡，照明系統(tǒng)等。在很多 情況下，一臺設(shè)計(jì)精良的顯微鏡難W取得理想的成像效果。其主要原因之一是照明系統(tǒng)沒 有調(diào)校到最佳狀態(tài)，使被測物體不能獲得良好的照明。
[0003] 通常用于顯微鏡照明系統(tǒng)的光源有金屬面素?zé)?，弧光燈，L邸發(fā)光二極管。前兩者 體積及能耗均較大，并且不具有優(yōu)良的單色性，而作為21世紀(jì)一種具有競爭力的新型固體 光源，發(fā)光二極管（LED)具有體積小、壽命長、響應(yīng)快、色溫優(yōu)良、抗震能力強(qiáng)和高效節(jié)能等 優(yōu)點(diǎn)。近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，LED的光通量得到了快速提高，使其在照明領(lǐng)域 中被廣泛的應(yīng)用。由于LED的光色較純，非常適用于顯微鏡照明系統(tǒng)。不但能夠?yàn)槠涮峁?良好穩(wěn)定的照明，而且由于L邸波長適中，對降低衍射效應(yīng)及提高系統(tǒng)的分辨率也有很大 的幫助。但是，由于L邸發(fā)光特性不同于傳統(tǒng)光源，直接應(yīng)用于顯微鏡照明系統(tǒng)，通常不能 獲得預(yù)期的效果。并且由于顯微鏡的照明距離通常不固定，運(yùn)也給L邸在顯微鏡中的應(yīng)用 帶來了新的障礙。因此為了使顯微鏡的L邸照明系統(tǒng)發(fā)揮最佳的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)視場明亮、無眩 光、照度均勻，并且提高系統(tǒng)性能，需針對L邸及顯微鏡照明系統(tǒng)特性來進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 針對光學(xué)顯微鏡照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)及朗伯型L邸光學(xué)設(shè)計(jì)中面臨的主要問題，本實(shí)用 新型提供了一種用于光學(xué)顯微鏡照明系統(tǒng)的LED自由曲面透鏡，該透鏡光學(xué)效率高，體積 小，制造、安裝方便，并能在照明距離發(fā)生變化的情況下產(chǎn)生均勻的照度分布。 陽0化]本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0006] 一種用于光學(xué)顯微鏡照明系統(tǒng)的LED自由曲面透鏡，該透鏡由透明材料制成，透 明材料為PMMA或PC或光學(xué)玻璃，透鏡包括S個自由曲面，分別構(gòu)成入射面及出射面。所述 透鏡的底面中屯、有一個供L邸安裝于其內(nèi)的空腔，空腔的一部分腔壁是柱面，構(gòu)成所述的 內(nèi)側(cè)柱面，另一部分是自由曲面，構(gòu)成所述的內(nèi)側(cè)自由曲面，內(nèi)側(cè)自由曲面位于內(nèi)側(cè)柱面的 頂部，兩者構(gòu)成所述的入射面；透鏡的外側(cè)面是自由曲面，構(gòu)成所述的外側(cè)自由曲面，透鏡 的頂面中部是自由曲面，構(gòu)成所述的頂部自由曲面，頂部自由曲面的外側(cè)是部分柱面，部分 柱面的頂部是平面，構(gòu)成所述的頂部平面，透鏡的頂部自由曲面，頂部平面構(gòu)成所述的出射 面。 陽007]自由曲面透鏡的形狀由如下方法確定：
[0008]WL邸光源為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，WL邸底面所在平面為XOY平面，過原點(diǎn)并與平面 垂直XOY的軸為Z軸。首先對L邸光源立體角進(jìn)行劃分，并把光線通過透鏡后的出射角進(jìn) 行均勻劃分，接著運(yùn)用能量守恒定律，建立光源立體角和光線通過透鏡后的出射角的映射 關(guān)系，然后運(yùn)用折反射定律，通過幾何關(guān)系得到最后的自由曲面透鏡。
[0009] 所述的構(gòu)成透鏡的自由曲面有=個，其計(jì)算步驟如下：
[0010] 2.設(shè)定初始條件并將LED光源立體角劃分。
[0011] 首先，目標(biāo)照明面與LED的距離為H，目標(biāo)照明區(qū)域是一個圓形區(qū)域，其半徑為R， L邸光源的總光通量為O，中屯、光強(qiáng)為I。，目標(biāo)照明區(qū)域的平均照度為E。。坐標(biāo)系中0為 入射光線與Z軸正方向的夾角。a為出射光線與Z軸正方向的夾角。內(nèi)側(cè)柱面的底部半徑 為r。透鏡材料的折射率為n。
[0012] 對于透鏡空腔內(nèi)側(cè)的自由曲面，其主要作用是控制光線的出射角度。運(yùn)里設(shè)置其 控制的出射角度取值范圍為[0,PmJ,且0《0mid，0HUd表示從光源發(fā)出的光線， 入射到內(nèi)側(cè)自由曲面的最大入射角，Pm。、表示從光線穿過內(nèi)側(cè)自由曲面后的最大出射角。 將區(qū)間[0,PmJ均勻劃分為N份，記為0 (i)，l《i《N。相應(yīng)地對于入射角0，對其進(jìn) 行離散化，將區(qū)間[0, 0mid]等分成N份，記為0 (i)，運(yùn)樣就得到了與出射角度0 (i)數(shù)組 一一對應(yīng)的0 (i)的數(shù)組。N取值的大小決定了計(jì)算的精確度，其取值越大，最后的結(jié)果越 精確。
[0013] 對于透鏡空腔內(nèi)側(cè)的自由曲面，每一份0 (i)角的光通量為：
[0014] (!)|(Z) = 2方 ,1'/。-si打谷泌S'谷.徽" 陽01引運(yùn)里0《0 (i)《0mid。
[0016] 對于透鏡空腔的內(nèi)側(cè)柱面，每一份0 (i)角的光通量為：
[0017] (1)，（/) = 2兀- /,, .sin巧.cos^.fW J馬崎 陽01引運(yùn)里0mid《0a)《0m。^通常0max= 90。，表示從LED發(fā)出光線的最大出射 半角。同理，將區(qū)間（0mid，0mJ等分為N份，記為0 (i)，運(yùn)樣就將光源立體角0等分為 2N份。
[0019] 因此，LED光源的總光通量為：
[0020] 巫二巫1+巫 2
[0021] 2.利用能量守恒定律建立光源立體角和光線通過透鏡后的出射角的映射關(guān)系。
[0022] 對光線通過透鏡后的出射角進(jìn)行離散化。對應(yīng)于光源立體角0的劃分，將a也 等分成2N份，記為a(i)，且〇《a(i)《Qm。、，Qm。、表示光線通過整個透鏡后的最大出 射角。a(i)與a(i-1)對應(yīng)目標(biāo)面上一個環(huán)帶區(qū)域。運(yùn)樣就在光線通過透鏡后的出射角 a(i)與光源立體角0 (i)數(shù)組之間建立起--對應(yīng)關(guān)系。
[0023] 根據(jù)能量守恒建立光源立體角與光線經(jīng)過透鏡后的出射角的對應(yīng)關(guān)系，可W得到 下式：
[002引 St為目標(biāo)面上環(huán)帶區(qū)域的總面積，且St= .化.tan(amJ)2。Sa)為目標(biāo)面 上第i個環(huán)帶區(qū)域的面積，可W表示為
[0026]S(i) =JT? ? [tan(a(i))2-tan(a(i-l))2]
[0027] 通過W上各式可W得到相對應(yīng)的光線通過透鏡后的出射角a(i):
[0028]
[0029] 3.求解自由曲面透鏡的離散坐標(biāo)。
[0030] 假設(shè)從LED出射光線與Z軸的夾角為0 (i)，并與內(nèi)側(cè)自由曲面相交于 Ai(Xi(i)，Zi(i))點(diǎn)，經(jīng)過內(nèi)側(cè)自由曲面折射后與頂部自由曲面相交于Bi(? (i)，Z2 (i))點(diǎn)； 光線與內(nèi)側(cè)柱面相交于Ci(r，r，cot0 (i+1))點(diǎn)，光線穿過內(nèi)側(cè)柱面后與透鏡外側(cè)自由曲面 相交于Di(X3(i),Z3(i))點(diǎn)，Ai點(diǎn)處的單位法向量Wi(a，的，Bi點(diǎn)處的單位法向量，Di點(diǎn)處的單位法向量馬(e，/)。
[0031] 在進(jìn)行自由曲面構(gòu)建時(shí)，由折反射定律求出自由曲面上點(diǎn)的法向量，利用運(yùn)個法 向量求得切平面，通過求切平面與入射光線的交點(diǎn)得到曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)。折反射定律公式 如下：
陽03引其中n為透鏡折射率，其取值視透鏡材料而定，哀為入射光線單位向量，玩；為出 射光線單位向量，冢為單位法向量。
[0034] 對于內(nèi)側(cè)自由曲面，由光源立體角0 (i)可W得到入射向量，由P(i)可W求得出 射向量，結(jié)合折反射定律可解得內(nèi)側(cè)自由曲面上下一點(diǎn)的坐標(biāo)值：
[0037] W此類推，可W得到內(nèi)側(cè)自由曲面的輪廓曲線上所有點(diǎn)的坐標(biāo)值，由此可得內(nèi)側(cè) 柱面的底部半徑為r=Xi(200)。
[003引對于頂部自由曲面，由0 (i)可W得到入射向量，由a(i)可W求得出射向量，把 上式與折反射定律聯(lián)立，可W解得頂部自由曲面上下一點(diǎn)的坐標(biāo)值：
[0041] 對于外側(cè)自由曲面，由于光線與內(nèi)側(cè)柱面相交于Ci(r，r-COte(i+1))點(diǎn)，通過內(nèi) 側(cè)柱面后光線的出射角為巧，貝。
[0042] 夢(/) .=asin[cos(約7)')/"]
[0043] 當(dāng)光線入射到外側(cè)自由曲面時(shí)，在該面上發(fā)生全反射，此時(shí)折反射定律可W表示 為：
[0045] 經(jīng)過外側(cè)自由曲面的反射后，光線傳播到透鏡頂部平面并發(fā)生折射，若發(fā)生折射 時(shí)的入射角為丫，貝U
[0046] 丫（i) =asin[sin(a(i))/n]
[0047] 由界擬和丫（i)與折反射定律聯(lián)立，可