[发明专利]用于光学显微镜反射式照明系统的LED自由曲面透镜

摘要

本发明公开了用于光学显微镜反射式照明系统的LED自由曲面透镜。透镜的下表面采用平面作为入射面，LED安装在入射面的下方；透镜的顶部为自由曲面即出射面；LED光源的光经过透镜时，在下表面的平面发生折射，再经过如下限定的自由曲面出射到照明面上，色温与照度分布均匀；本发明以LED光源为原点O建立坐标系，以LED芯片所在平面为XOY平面，过原点O并与平面XOY垂直的轴为z轴，与z轴交点为o，且平行于平面XOY的平面为照明面；将光源立体角划分为三部分，由能量守恒定律，分别建立这三部分光源立体角与照明面不同区域的映射关系，利用折射定律计算得到自由曲面透镜。本发明光学透镜结构紧凑、体积小巧，色温与照度分布均匀，适用于显微镜反射式照明系统。

主权项

1.一种用于光学显微镜反射式照明系统的LED自由曲面透镜，其特征在于所述透镜的下表面采用平面作为入射面，LED安装在入射面的下方；透镜的顶部为自由曲面即出射面；LED光源的光经过透镜时，在下表面的平面发生折射，再经过如下限定的自由曲面出射到照明面上，色温与照度分布均匀；所述自由曲面的形状确定如下：以LED光源为原点O建立坐标系，以LED芯片所在平面为XOY平面，过原点O并与平面XOY垂直的轴为z轴，与z轴交点为o，且平行于平面XOY的平面为照明面；为了实现色温与照度分布均匀，将光源立体角划分为三部分，和由能量守恒定律，分别建立这三部分光源立体角与照明面不同区域的映射关系，利用折射定律计算得到自由曲面透镜；所述自由曲面具体确定如下：初始条件的设定和LED光源立体角的划分：目标照明面与LED的距离为T_z，目标照明区域是一个半径为R的圆形区域，LED光源的中心光强为I₀，最大出光角度与z轴的夹角为总光通量为Φ，目标照明区域的平均照度为E₀＝Φ/πR²；坐标系中为出射光线与z轴正方向的夹角；首先将LED光源立体角划分为三部分：和将这三部分立体角分别均匀划分为N等分；则对于LED光源的，每一份角度内的光通量为：式中，且所以，LED光源的总光通量为：Φ＝Φ₁+Φ₂+Φ₃；采用将值较小的光线交叉配光，而对值较大的光线采用不交叉配光的方案，在该方案中，角度较小的光线经透镜折射到照明区域边缘，光线的偏折后方向与z轴正方向夹角增大造成边缘色温偏高，而角度大的光线透镜折射到照明区域边缘，光线的偏折后方向与z轴正方向夹角减小，造成边缘色温偏低；这两束光线在照明边缘区域的叠加，将会在边缘区域发生补偿，从而达到实现色温均匀照明的目标；第一部分的立体角内的光线采用交叉配光的方式，其照明区域是半径为R₁的圆形区域，R₁＝0.95·R；由能量守恒定律得：其中，E₁为该部分光通量在照明面上均匀照明产生的照度；而对于前i份立体角，由能量守恒定律可得：式中，‑R≤r(i)≤0；由以上两式可得到光源立体角与照明面对应照明区域的半径的映射关系：第二部分的立体角内的光线仍采用交叉配光的方式，照明区域与第一部分一致，不同的是，该部分的光线，随着角的增大，光线对应的照明区域的半径减小，当光线的照射区域为圆形照明区域的中心；相应地可得到光源立体角与照明面对应照明区域的半径的映射关系：第三部分的立体角内的光线采用经典的配光方式，随着角从增大到对应的照明区域半径从0逐渐增大为R；相似地，可得到光源立体角与照明面对应照明区域的半径的映射关系：照明面环带半径r(i)与光源立体角建立了一一对应关系；在计算自由曲面时，利用折反射定律求出所述曲面上点的法向量，再利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点依次得到曲面上所有点的坐标；所述的折反射公式如下：式中，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为单位法向量，ni为入射介质的折射率，n_·为折射介质的折射率；对于透镜顶部的自由曲面，ni为透镜材料的折射率，n_·为空气的折射率，故n_·＝1；设透镜底部平面与LED光源之间的距离为H，则发射方向与z轴夹角为的光线与平面的交点坐标为则光线经过平面折射后与z轴的夹角为：则对于自由曲面，光线的单位入射向量为而光线经过自由曲面折射后所照射的照明面上的坐标为T_i＝(r(i)，Tz)，又假设已知此光线在自由曲面上的入射点坐标P_i＝(x_i，z_i)已知，则光线的单位出射向量为：将代入上述的折反射公式，则可求出该点的法向量从而可以求出自由曲面在该点的切平面，该切平面与下一条光线的交点即为自由曲面的下一点；该自由曲面的初始点坐标为(0，z₀)，则利用上述方法从初始点开始，通过迭代计算可以得到透镜顶部第一部分自由曲面的离散点坐标；在计算第二部分自由曲面时，该部分自由曲面的初始点为第一部分自由曲面的最后一点，相应地可得到第二部分自由曲面的离散坐标点，同理，可得到第三部分自由曲面的离散坐标点；合并三部分的离散点坐标，即得到了自由曲面上所有离散点的坐标；将得到的离散点坐标导入到三维建模软件，进行拟合，将得到的轮廓线绕中线轴线旋转360°，即得到了光学自由曲面透镜的实体形状。