本实用新型专利技术公开一种用于光学显微镜照明系统的LED自由曲面透镜，透镜包括三个自由曲面；透镜的底面中心有一个供LED安装于其内的空腔；空腔的一部分腔壁是柱面，构成内侧柱面，另一部分是自由曲面，构成内侧自由曲面；内侧自由曲面位于内侧柱面的顶部，两者构成透镜的入射面；透镜的外侧面是自由曲面，构成外侧自由曲面，透镜的顶面中部是自由曲面，构成顶部自由曲面，顶部自由曲面的外侧是部分柱面，部分柱面的顶部是平面，构成所述的顶部平面，透镜的顶部自由曲面和顶部平面构成透镜的出射面。本实用新型专利技术结构紧凑、体积小巧，可用于光学显微镜照明系统的自由曲面透镜，能够在目标照明面上形成照度分布均匀的圆形光斑，同时保持很高的光学效率。
【技术实现步骤摘要】
本技术设及L邸照明领域，具体设及一种用于光学显微镜照明系统的LED自 由曲面透镜。
技术介绍
显微镜是一种精密的光学仪器，目前已应用在众多领域，尤其是在生物学，医学， 实验教学等领域。其性能的高低，主要决定于光学系统，如物镜，目镜，照明系统等。在很多 情况下，一台设计精良的显微镜难W取得理想的成像效果。其主要原因之一是照明系统没 有调校到最佳状态，使被测物体不能获得良好的照明。 通常用于显微镜照明系统的光源有金属面素灯，弧光灯，L邸发光二极管。前两者 体积及能耗均较大，并且不具有优良的单色性，而作为21世纪一种具有竞争力的新型固体 光源，发光二极管（LED)具有体积小、寿命长、响应快、色溫优良、抗震能力强和高效节能等 优点。近年来随着半导体技术的飞速发展，LED的光通量得到了快速提高，使其在照明领域 中被广泛的应用。由于LED的光色较纯，非常适用于显微镜照明系统。不但能够为其提供 良好稳定的照明，而且由于L邸波长适中，对降低衍射效应及提高系统的分辨率也有很大 的帮助。但是，由于L邸发光特性不同于传统光源，直接应用于显微镜照明系统，通常不能 获得预期的效果。并且由于显微镜的照明距离通常不固定，运也给L邸在显微镜中的应用 带来了新的障碍。因此为了使显微镜的L邸照明系统发挥最佳的状态，实现视场明亮、无眩 光、照度均匀，并且提高系统性能，需针对L邸及显微镜照明系统特性来进行光学设计。
技术实现思路
针对光学显微镜照明系统设计及朗伯型L邸光学设计中面临的主要问题，本实用 新型提供了一种用于光学显微镜照明系统的LED自由曲面透镜，该透镜光学效率高，体积 小，制造、安装方便，并能在照明距离发生变化的情况下产生均匀的照度分布。 阳0化]本技术采用如下技术方案： 一种用于光学显微镜照明系统的LED自由曲面透镜，该透镜由透明材料制成，透 明材料为PMMA或PC或光学玻璃，透镜包括S个自由曲面，分别构成入射面及出射面。所述 透镜的底面中屯、有一个供L邸安装于其内的空腔，空腔的一部分腔壁是柱面，构成所述的 内侧柱面，另一部分是自由曲面，构成所述的内侧自由曲面，内侧自由曲面位于内侧柱面的 顶部，两者构成所述的入射面；透镜的外侧面是自由曲面，构成所述的外侧自由曲面，透镜 的顶面中部是自由曲面，构成所述的顶部自由曲面，顶部自由曲面的外侧是部分柱面，部分 柱面的顶部是平面，构成所述的顶部平面，透镜的顶部自由曲面，顶部平面构成所述的出射 面。 阳007]自由曲面透镜的形状由如下方法确定：WL邸光源为原点建立坐标系，WL邸底面所在平面为XOY平面，过原点并与平面 垂直XOY的轴为Z轴。首先对L邸光源立体角进行划分，并把光线通过透镜后的出射角进 行均匀划分，接着运用能量守恒定律，建立光源立体角和光线通过透镜后的出射角的映射 关系，然后运用折反射定律，通过几何关系得到最后的自由曲面透镜。 所述的构成透镜的自由曲面有=个，其计算步骤如下： 2.设定初始条件并将LED光源立体角划分。 首先，目标照明面与LED的距离为H，目标照明区域是一个圆形区域，其半径为R， L邸光源的总光通量为O，中屯、光强为I。，目标照明区域的平均照度为E。。坐标系中0为 入射光线与Z轴正方向的夹角。a为出射光线与Z轴正方向的夹角。内侧柱面的底部半径 为r。透镜材料的折射率为n。 对于透镜空腔内侧的自由曲面，其主要作用是控制光线的出射角度。运里设置其 控制的出射角度取值范围为等分成N份，记为0 (i)，运样就得到了与出射角度0 (i)数组 一一对应的0 (i)的数组。N取值的大小决定了计算的精确度，其取值越大，最后的结果越 精确。 对于透镜空腔内侧的自由曲面，每一份0 (i)角的光通量为： (!)|(Z) = 2方 ,1'/。-si打谷泌S'谷.徽" 阳01引运里0《0 (i)《0mid。 对于透镜空腔的内侧柱面，每一份0 (i)角的光通量为： (1)，（/) = 2兀- /,, .sin巧.cos^.fW J馬崎 阳01引运里0mid《0a)《0m。^通常0max= 90。，表示从LED发出光线的最大出射 半角。同理，将区间（0mid，0mJ等分为N份，记为0 (i)，运样就将光源立体角0等分为 2N份。 因此，LED光源的总光通量为： 巫二巫1+巫 2 2.利用能量守恒定律建立光源立体角和光线通过透镜后的出射角的映射关系。 对光线通过透镜后的出射角进行离散化。对应于光源立体角0的划分，将a也 等分成2N份，记为a(i)，且〇《a(i)《Qm。、，Qm。、表示光线通过整个透镜后的最大出 射角。a(i)与a(i-1)对应目标面上一个环带区域。运样就在光线通过透镜后的出射角 a(i)与光源立体角0 (i)数组之间建立起--对应关系。 根据能量守恒建立光源立体角与光线经过透镜后的出射角的对应关系，可W得到 下式：[002引 St为目标面上环带区域的总面积，且St= .化.tan(amJ)2。Sa)为目标面 上第i个环带区域的面积，可W表示为S(i) =JT? ? 通过W上各式可W得到相对应的光线通过透镜后的出射角a(i): 3.求解自由曲面透镜的离散坐标。 假设从LED出射光线与Z轴的夹角为0 (i)，并与内侧自由曲面相交于 Ai(Xi(i)，Zi(i))点，经过内侧自由曲面折射后与顶部自由曲面相交于Bi(? (i)，Z2 (i))点； 光线与内侧柱面相交于Ci(r，r，cot0 (i+1))点，光线穿过内侧柱面后与透镜外侧自由曲面 相交于Di(X3(i),Z3(i))点，Ai点处的单位法向量Wi(a，的，Bi点处的单位法向量，Di点处的单位法向量馬(e，/)。 在进行自由曲面构建时，由折反射定律求出自由曲面上点的法向量，利用运个法 向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。折反射定律公式 如下：阳03引其中n为透镜折射率，其取值视透镜材料而定，哀为入射光线单位向量，玩；为出 射光线单位向量，冢为单位法向量。 对于内侧自由曲面，由光源立体角0 (i)可W得到入射向量，由P(i)可W求得出 射向量，结合折反射定律可解得内侧自由曲面上下一点的坐标值： W此类推，可W得到内侧自由曲面的轮廓曲线上所有点的坐标值，由此可得内侧 柱面的底部半径为r=Xi(200)。[003引对于顶部自由曲面，由0 (i)可W得到入射向量，由a(i)可W求得出射向量，把 上式与折反射定律联立，可W解得顶部自由曲面上下一点的坐标值： 对于外侧自由曲面，由于光线与内侧柱面相交于Ci(r，r-COte(i+1))点，通过内 侧柱面后光线的出射角为巧，贝。 梦(/) .=asin 当光线入射到外侧自由曲面时，在该面上发生全反射，此时折反射定律可W表示 为： 经过外侧自由曲面的反射后，光线传播到透镜顶部平面并发生折射，若发生折射 时的入射角为丫，贝U 丫（i) =asin 由界拟和丫（i)与折反射定律联立，可当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于光学显微镜照明系统的LED自由曲面透镜，包括入射面和出射面，其特征在于透镜包括三个自由曲面；所述透镜的底面中心有一个供LED安装于其内的空腔；空腔的一部分腔壁是柱面，构成内侧柱面，另一部分是自由曲面，构成内侧自由曲面；内侧自由曲面位于内侧柱面的顶部，两者构成透镜的入射面；透镜的外侧面是自由曲面，构成外侧自由曲面，透镜的顶面中部是自由曲面，构成顶部自由曲面，顶部自由曲面的外侧是部分柱面，部分柱面的顶部是平面，构成顶部平面，透镜的顶部自由曲面和顶部平面构成透镜的出射面。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张宪民，吴衡，李海，王恺，余金栋，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。