摘 要:根据LED光源特性和目标面光强的分布要求,采用正交试验法,对显微镜的LED照明系统进行优化设计。利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真,结果表明,在Φ50mm的范围内照度均匀性达到83.7%,能量利用率达到52.8%。该结构简单,成本低,易于实现。
0 引 言
显微镜照明包括上照明和下照明,通常采用卤灯作为光源,以成像光学为设计理论。随着半导体照明技术的发展,发光二极管(LED)正逐渐取代传统光源,成为新一代光源。由于在尺寸和节能方面的优势,越来越多的照明系统使用LED作为光源[1—3]。
基于非成像理论的均匀照明设计方法有:重叠法、裁剪法[4]和TEDs (Tailored Edge-ray De-signs)[5]等。重叠法如复眼照明、光管照明和微透镜阵列的设计[6],Florian FourNIer等人通过Bezier曲线的控制点来控制光管外形,实现均匀照明[7]。裁剪法如自由曲面透镜设计,丁毅等人基于折射方程和能量守恒建立一阶偏微分方程组,通过数值求解得到用于均匀照明的自由曲面透镜和自由曲面反射器[8—10]。TEDs也可归为裁剪法,它可以实现特定位置目标面上或无穷远处目标面的均匀照明,但不利于小范围均匀照明。上述这些方法都较为繁琐,且理论的应用都是建立在光源为近似点光源的条件下,对光源分布为环形的显微镜垂直上照明而言,并不适用。
目前,LED显微镜上照明光源通常采用多颗均布的方式,但在指定目标面上的均匀性和利用率都不高,分别不足70%和30%。正交试验法是在实际经验与理论认识的基础上,利用正交表来安排“均衡分散”的试验,通过少数的试验次数,找到最优方案。本文根据LED光源特性和目标面光强的分布要求,采用正交试验法,设计LED显微镜上照明系统,使均匀性和利用率得到明显的提高。
1 反射器的设计
实现均匀照明反射器有圆锥面、抛物面、多面体等,考虑到圆锥面反射器能以简单的结构实现较好的照明,且成本低,本文选用圆锥面为反射器形状。选取常用的光通量为3 lm的8颗LED作为光源,图1为其光强分布图。显微镜模型采用调焦范围为0.7×~4.5×,工作距离在45mm的变焦显微镜。
1.1 正交试验法原理
正交试验法就是利用排列整齐的正交表对试验进行整体设计、综合比较、统计分析,通过较少的实验次数得出较好的试验条件,以达到试验的目的。正交试验法的步骤如图2所示。
1.2 正交试验表的设计及实验
试验目的是确定圆锥面反射器形状,用于显微镜上照明,使得在Φ50mm的范围内照度均匀性大于75%,能量利用率高于50%。对于圆锥面反射器来说,影响照明效果的因素有圆锥面锥度、光源放置角度、反射器的长度、反射器出口口径等。选取前三个为正交试验因素,根据显微镜大小及具体使用情况确定其水平。由于没有3因素5水平的正交表,所以选取6因素5水平的正交表,取前三列。利用TracePro软件进行光学仿真实验,正交试验及结果如表1。
从正交试验表中,可以看出效果较好的是第15组,在Φ50mm的范围内照度均匀性达到83.6%,能量利用率为49.9%。由表1得,当锥度取20°时,均匀性均值为0.619,利用率均值为0.668;同理,算出各因素在不同水平下均匀性和利用率均值,分别用-Uki、-Uαi、-Uli、-Eki、-Eαi、-Eli表示(i取1~5,表示五个不同水平),如表2所示。
2 分析与优化
由表2得到圆锥面锥度、光源放置角度、反射器长度分别和均匀性及利用率的关系图,如图3、图4、图5所示。
由图3可见,锥度在24°和30°之间,均匀性先增大后减小,利用率随着锥度的增大而减小,在低于26°时不足50%。综合考虑均匀性、利用率,此圆锥面的锥度选择25°。
由图4可见,光源放置角度在15°和25°之间,均匀性比较好,且在20°时取到最大值,利用率在整个范围内变化的比较缓慢。综合考虑均匀性、利用率以及在实际安装时的误差,光源放置角度取20°。
由图5可见,长度在30mm处均匀性较好,而利用率在整个范围内变化比较缓慢,结合反射器结构的小巧性,此反射器的长度选择30mm。
由分析可知,较好的LED显微镜上照明系统的参数为:反射器锥度25°,光源放置角度20°,反射器长度30mm,此时反射器口径为57.96mm。根据设计得到的反射器进行光线追迹和照度分布计算,其结果如图6所示。由图6可见,在Φ50mm的范围内照度均匀性达到83.7%,能量利用率为52.8%。
根据设计的反射器,改变不同的观察距离,当观察距离大于50mm时,Φ50mm的范围内利用率过低,如图7所示。此LED显微镜上照明系统适用工作距离为30mm到50mm,对于对于其他工作距离的显微镜可通过改变初始值优化得到。
3 结 论
利用正交试验法进行LED显微镜上照明系统优化设计,能有效提高LED显微镜光源的均匀性和利用率,且照明系统结构简单、易于实现、成本低,这为显微镜小型化照明系统设计提供了有效手段。
参考文献
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收稿日期:2010-03-25
基金项目:浙江省科技计划项目(2008C21158)资助项目;浙江省建设科研和推广项目(0910)
作者简介:蒋贤满(1986-),男,中国计量学院硕士研究生,从事精密光学仪器研究。 E-mail:jiangxianman1@126.com
通讯作者:余桂英(1965-),女,中国计量学院副教授,从事光学精密测量研究。 E-mail:yuguiying11@163.com
