基于正交试验法的显微镜上照明设计

　　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。