一種對(duì)被照面進(jìn)行可控間歇均勻照明的照明系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種對(duì)被照面進(jìn)行可控間歇均勻照明的照明系統(tǒng)。包括外殼、快門(mén)和沿同一光軸依次安裝在外殼中的藍(lán)光LED、第一光闌、第一透鏡、第二光闌和第二透鏡，快門(mén)安裝在第二光闌處，快門(mén)與快門(mén)驅(qū)動(dòng)電路連接，藍(lán)光LED發(fā)出的光依次經(jīng)第一光闌進(jìn)光控制、第一透鏡折射、第二光闌和快門(mén)進(jìn)光控制、第二透鏡折射后出射。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)平面的周期間歇性照明，能對(duì)光遺傳學(xué)的細(xì)胞激活進(jìn)行照明和檢測(cè)，并且可方便拆卸，方便對(duì)元件進(jìn)行檢查、更換以及系統(tǒng)的擴(kuò)展或重組，也降低了照明時(shí)間控制的成本，應(yīng)用廣泛。
【專利說(shuō)明】
一種對(duì)被照面進(jìn)行可控間歇均勻照明的照明系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是涉及了一種對(duì)被照面進(jìn)行可控間歇均 勻照明的照明系統(tǒng)，構(gòu)建了均勻照明光學(xué)系統(tǒng)并加入了電子控制模塊以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的照明時(shí) 間控制功能。
【背景技術(shù)】
[0002] 在遺傳學(xué)細(xì)胞激活檢測(cè)中，需要得到間歇式的目標(biāo)平面上的均勻光強(qiáng)的照明。在 現(xiàn)有的商用產(chǎn)品中，沒(méi)有將間歇式照明與均勻照明相結(jié)合的產(chǎn)品。因此我們將柯拉照明與 間歇式控制結(jié)合起來(lái)，以構(gòu)成簡(jiǎn)單實(shí)用的間歇式均勻照明系統(tǒng)。
[0003] 在本實(shí)用實(shí)用新型中，我們利用單片機(jī)輸出矩形波來(lái)驅(qū)動(dòng)快門(mén)的開(kāi)合，使得被照 面上能夠得到間歇式照明。其中照明周期以及照明時(shí)間可以通過(guò)修改單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序任意 修改。
[0004] 對(duì)于均勻照明方案來(lái)說(shuō)，4f系統(tǒng)較柯拉照明系統(tǒng)系統(tǒng)總長(zhǎng)較短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且容易 理解，但是我們最終選擇了柯拉照明系統(tǒng)作為照明方案。原因如下：
[0005] 對(duì)于4F系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，實(shí)際上只是將光源放在透鏡的焦點(diǎn)，通過(guò)透鏡變換成平行光照 射在被照明面上。由于光源是擴(kuò)展光源，因此出射平行光必然有不同的角度，無(wú)法在出射面 上得到均勻照明。利用光學(xué)仿真軟件ASAP，我們對(duì)兩種方案進(jìn)行了建模。下面我們將結(jié)合仿 真結(jié)果對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。
[0006] 4F系統(tǒng)的總長(zhǎng)較小，可極大地縮小照明系統(tǒng)需要的空間。但是從仿真結(jié)果看光線 較為散亂，由于光源為擴(kuò)展光源而非點(diǎn)光源，故其光源像成于無(wú)窮遠(yuǎn)處并且在有限遠(yuǎn)處也 會(huì)有一定的光源像呈現(xiàn)。該系統(tǒng)的照明面積較大，但光強(qiáng)分布不均勻，光源的缺陷會(huì)在照明 面上顯現(xiàn)出來(lái)。仿真結(jié)果如圖1和圖2所示。
[0007] 在實(shí)際搭建的系統(tǒng)中，由于LED光源的外圍有一圈特別亮的光環(huán)，因此在被照明面 上會(huì)表現(xiàn)出外圍很亮的光暈。實(shí)際照明效果圖3所示?？梢?jiàn)，雖然4F系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)總長(zhǎng) 短，但是并不能達(dá)到對(duì)被照明面均勻照明的要求。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008] 為了能夠解決判別細(xì)胞激活過(guò)程所需要的光照，本實(shí)用新型提供了一種對(duì)被照面 進(jìn)行可控間歇均勻照明的照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)平面的可控均勻照明，可用于對(duì)光遺傳學(xué) 的細(xì)胞激活進(jìn)行檢測(cè)，但由于其組裝方便，變量可控，也可廣泛應(yīng)用在基于柯拉照明原理上 的很多場(chǎng)合。
[0009] 本實(shí)用新型實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的方案是：
[0010] 本實(shí)用新型包括外殼、快門(mén)和沿同一光軸依次安裝在外殼中的藍(lán)光LED、第一光 闌、第一透鏡、第二光闌和第二透鏡，快門(mén)安裝在第二光闌處，快門(mén)與快門(mén)驅(qū)動(dòng)電路連接，藍(lán) 光LED發(fā)出的光依次經(jīng)第一光闌進(jìn)光控制、第一透鏡折射、第二光闌和快門(mén)進(jìn)光控制、第二 透鏡折射后出射。
[0011] 所述的外殼包括依次同軸相銜接安裝的第一套筒、開(kāi)槽套筒、第二套筒、第三套 筒、第四套筒和第五套筒，藍(lán)光LED安裝在第一套筒的尾端，第一光闌安裝在第一套筒的頭 端和開(kāi)槽套筒的尾端之間，開(kāi)槽套筒內(nèi)安裝有第一透鏡，第一透鏡沿開(kāi)槽套筒軸向活動(dòng)移 動(dòng)，開(kāi)槽套筒的頭端經(jīng)第二套筒與第三套筒的尾端連接，第二光闌安裝在第三套筒的頭端 和第四套筒的尾端之間，第四套筒頭端與第五套筒固定連接，第二透鏡安裝在第四套筒或 第五套筒內(nèi)。
[0012] 所述外殼中安裝的各個(gè)光學(xué)元件滿足以下關(guān)系：
[0013]
[0014]
[0015] 其中，L1為光源至第一透鏡的距離，L2為第一透鏡至第二光闌的距離，L3為第二光 闌至第二透鏡的距離，L4為第二透鏡至被照面的距離，Π 為第一透鏡的像方焦距，f2為第二 透鏡的像方焦距。上述的距離均為沿光軸的軸向距離。
[0016] 所述的開(kāi)槽套筒中心孔內(nèi)裝有兩個(gè)卡環(huán)，卡環(huán)與中心孔螺紋配合，開(kāi)槽套筒的兩 側(cè)開(kāi)有用于移動(dòng)卡環(huán)的通槽，第一透鏡安裝在兩個(gè)卡環(huán)之間，通過(guò)螺紋副調(diào)整卡環(huán)在中心 孔的軸向位置調(diào)整第一透鏡的在光軸上的位置。
[0017] 本實(shí)用新型還包括光控電路板，光控電路板安裝在開(kāi)槽套筒側(cè)面，光控電路板上 設(shè)有快門(mén)驅(qū)動(dòng)電路。
[0018] 所述的快門(mén)驅(qū)動(dòng)電路包括單片機(jī)U1，電容C1和電容C2串聯(lián)后與晶振Y1-起并聯(lián)到 單片機(jī)U1的XTAL1腳和XTAL2腳之間，單片機(jī)U1的P2.0腳與運(yùn)算放大器U2A的正向輸入端連 接，運(yùn)算放大器U2A的反向輸入端經(jīng)電阻R1連接到其輸出端，并經(jīng)電阻R2接地，單片機(jī)U1的 P2.7腳與運(yùn)算放大器U1A的正向輸入端連接，運(yùn)算放大器U1A的反向輸入端經(jīng)電阻R3連接到 輸出端，并經(jīng)電阻R4接地，由此構(gòu)成兩個(gè)同向比例放大電路，運(yùn)算放大器U2A和運(yùn)算放大器 U1A的輸出端連接到快門(mén)的兩控制端。
[0019] 所述單片機(jī)輸出矩形波，通過(guò)運(yùn)算放大電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制快門(mén)開(kāi)合，使得被照明 面上得到均勻間歇的照明。
[0020] 所述單片機(jī)U1的P2.0腳和P2.7腳的兩個(gè)端口分別輸出波形相反的矩形波到快門(mén) 的兩個(gè)控制端，控制快門(mén)的周期性開(kāi)合，從而實(shí)現(xiàn)間歇性照明。其中矩形波的占空比和周期 根據(jù)具體照明需求而定。
[0021] 本實(shí)用新型的套管之間通過(guò)螺紋相連實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)封裝，這樣可方便拆卸，便于元件 的檢查、更換以及系統(tǒng)的擴(kuò)展或重組。
[0022] 本實(shí)用新型基于柯拉照明系統(tǒng)，如圖7所示，首先將光源通過(guò)第一透鏡成像到第二 透鏡的前焦面上，被照明面和第一透鏡通過(guò)第二透鏡共輒。由于當(dāng)?shù)谝粋€(gè)透鏡的半徑不太 大時(shí)，其前表面所受到的光源照明是均勻的。因此通過(guò)共輒關(guān)系，就能在被照明面上得到均 勻的照明。
[0023] 本實(shí)用新型在第一透鏡前焦面處設(shè)置了第一光闌，可在不改變光照強(qiáng)度的前提下 改變被照明面上的光斑大小;在第二透鏡的前焦面處設(shè)置了第二光闌，調(diào)節(jié)此光闌可在不 改變光斑大小的前提下改變被照明面的光照強(qiáng)度。
[0024] 本實(shí)用新型選擇了合適的LED光源、透鏡和光闌使?jié)M足設(shè)計(jì)目標(biāo)的同時(shí)將系統(tǒng)規(guī) ?？刂圃谝欢ǚ秶詽M足實(shí)際應(yīng)用要求。
[0025] 本實(shí)用新型基于柯拉照明系統(tǒng)，是將入瞳成像在物面上，優(yōu)點(diǎn)在于物面上照明均 勾，不存在光源像，光斑均勾，在前方加上一個(gè)聚光鏡后使進(jìn)入系統(tǒng)的入射光強(qiáng)度大大提 高。從如圖8所示的實(shí)拍效果圖可得出，柯拉照明系統(tǒng)在指定距離范圍內(nèi)的光斑均勻，光強(qiáng) 通過(guò)率較大。
[0026] 本實(shí)用新型在光控電路中加入電子快門(mén)，通過(guò)控制快門(mén)的開(kāi)合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)照明時(shí)間 的控制。其中電子快門(mén)有兩個(gè)輸入引腳，兩個(gè)引腳的電壓正負(fù)控制其開(kāi)合，通過(guò)外部向兩個(gè) 引腳輸入相應(yīng)的周期方波就可實(shí)現(xiàn)快門(mén)的周期性開(kāi)合。矩形波通過(guò)單片機(jī)的P2.0 口和P2.7 口輸出，在P2.0和P2.7之間形成周期反向的電壓差，向快門(mén)兩端輸入周期矩形波，使其實(shí)現(xiàn) 周期性的開(kāi)合，進(jìn)而控制光路的間歇照明。
[0027] 與現(xiàn)有的均勻照明系統(tǒng)相比，本實(shí)用新型實(shí)用新型具有以下有益的技術(shù)效果：
[0028] 本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)平面的周期間歇性照明，能對(duì)光遺傳學(xué)的細(xì)胞激活進(jìn)行 照明和檢測(cè)。
[0029] 本實(shí)用新型組裝方便，降低了照明時(shí)間控制的成本，便于批量生產(chǎn)，易于推廣和應(yīng) 用可廣泛應(yīng)用多種場(chǎng)合。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為4F系統(tǒng)的照明面的光線點(diǎn)列圖。
[0031]圖2為4F系統(tǒng)照明仿真的光強(qiáng)分布圖。
[0032]圖3為4F系統(tǒng)采用LED光源照明的光暈效果圖。
[0033]圖4為系統(tǒng)的主視圖。
[0034]圖5為系統(tǒng)的立體圖。
[0035]圖6為系統(tǒng)的爆炸視圖。
[0036]圖7為本實(shí)用新型的光路圖。
[0037] 圖8為本實(shí)用新型系統(tǒng)照明的光暈效果圖。
[0038] 圖9為本實(shí)用新型快門(mén)驅(qū)動(dòng)電路的電路圖。
[0039] 圖10為本實(shí)用新型實(shí)施例的光路模擬仿真的光線點(diǎn)列圖。
[0040] 圖11為本實(shí)用新型實(shí)施例的光路模擬仿真的光強(qiáng)分布圖。
[00411圖中：1藍(lán)光LED，2第一套筒，3第一光闌，4第一透鏡，5開(kāi)槽套筒，6第二套筒，7第三 套筒，8第二光闌，9第二透鏡，10第四套筒，11第五套筒，12光控電路板，13卡環(huán)。
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0043]如圖4~6所不，本實(shí)用新型包括外殼、快門(mén)和沿同一光軸依次安裝在外殼中的藍(lán) 光LED1、第一光闌3、第一透鏡4、第二光闌8和第二透鏡9以及光控電路板12,外殼包括依次 同軸相銜接安裝的第一套筒2、開(kāi)槽套筒5、第二套筒6、第三套筒7、第四套筒10和第五套筒 11，藍(lán)光LED1安裝在第一套筒2的尾端，第一光闌3安裝在第一套筒2的頭端和開(kāi)槽套筒5的 尾端之間，開(kāi)槽套筒5內(nèi)安裝有第一透鏡4，第一透鏡4沿開(kāi)槽套筒5軸向活動(dòng)移動(dòng)，開(kāi)槽套筒 5的頭端經(jīng)第二套筒6與第三套筒7的尾端連接，第二光闌8安裝在第三套筒7的頭端和第四 套筒10的尾端之間，第四套筒10頭端與第五套筒11固定連接，第二透鏡9安裝在第四套筒10 或第五套筒11內(nèi)，快門(mén)安裝在第二光闌8處，快門(mén)與快門(mén)驅(qū)動(dòng)電路連接；如圖7所示，藍(lán)光 LED1發(fā)出的光依次經(jīng)第一光闌3進(jìn)光控制、第一透鏡4折射、第二光闌8和快門(mén)進(jìn)光控制、第 二透鏡9折射后出射;光控電路板12安裝在開(kāi)槽套筒5側(cè)面，光控電路板12上設(shè)有快門(mén)驅(qū)動(dòng) 電路。
[0044] 開(kāi)槽套筒5中心孔內(nèi)裝有兩個(gè)卡環(huán)13,卡環(huán)13與中心孔螺紋配合，開(kāi)槽套筒5的兩 側(cè)開(kāi)有用于移動(dòng)卡環(huán)13的通槽，第一透鏡4安裝在兩個(gè)卡環(huán)13之間，通過(guò)螺紋副調(diào)整卡環(huán)13 在中心孔的軸向位置調(diào)整第一透鏡4的在光軸上的位置。
[0045] 如圖7所示，快門(mén)驅(qū)動(dòng)電路包括單片機(jī)U1，電容C1和電容C2串聯(lián)后與晶振Y1 -起并 聯(lián)到單片機(jī)U1的XTAL1腳和XTAL2腳之間，單片機(jī)U1的P2.0腳與運(yùn)算放大器U2A的正向輸入 端連接，運(yùn)算放大器U2A的反向輸入端經(jīng)電阻R1連接到其輸出端，并經(jīng)電阻R2接地，單片機(jī) U1的P2.7腳與運(yùn)算放大器U1A的正向輸入端連接，運(yùn)算放大器U1A的反向輸入端經(jīng)電阻R3連 接到輸出端，并經(jīng)電阻R4接地，由此構(gòu)成兩個(gè)同向比例放大電路，運(yùn)算放大器U2A和運(yùn)算放 大器U1A的輸出端連接到快門(mén)的兩控制端。
[0046] 本實(shí)用新型的具體實(shí)施例及其實(shí)施工作過(guò)程如下：
[0047] 實(shí)施例具體實(shí)施中第一套筒2長(zhǎng)度為2.5英寸，開(kāi)槽套筒5長(zhǎng)度3英寸，第一透鏡焦 距為50mm，第二套筒6長(zhǎng)度為1英寸，第三套筒7長(zhǎng)度為0.5英寸，第四套筒10長(zhǎng)度為1英寸，第 五套筒11長(zhǎng)度為0.5英寸，第二透鏡焦距為25.4mm。
[0048] 光控電路板12利用卡環(huán)固定在開(kāi)槽套筒5上，可通過(guò)卡環(huán)螺絲調(diào)節(jié)松緊度或者方 便地進(jìn)行拆卸，其電路中兩個(gè)運(yùn)算放大器可采用LM386型號(hào)，快門(mén)驅(qū)動(dòng)電路中的單片機(jī)采用 80C51型號(hào)。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)快門(mén)電路如圖9所示。
[0049] 藍(lán)光LED1采用波長(zhǎng)為405nm、最大功率為5W的LED。但在實(shí)際應(yīng)用中，可選擇不同參 數(shù)的LED以滿足不同的照明需求。
[0050]本實(shí)用新型實(shí)施例最終實(shí)現(xiàn)的照明系統(tǒng)功能參數(shù)為：目標(biāo)平面上的光斑大小> = 4mm2，目標(biāo)平面上的光斑強(qiáng)度均勻且> = 4mW/mm2，在目標(biāo)平面上的光照時(shí)間控制:500ms光刺 激+200ms間歇(總時(shí)間300s)。
[00511實(shí)施例的光學(xué)元件參數(shù)如下表1和表2所示。
[0052] 表 1
[0053]
[0054] 表 2
[0055]
[0056]
[0057] 實(shí)施例利用ASAP軟件進(jìn)行光路模擬仿真，得到被照面上的光線點(diǎn)列圖以及光強(qiáng)分 布圖，如圖8、10、11所示。圖中可見(jiàn)，被照面上的光斑強(qiáng)度基本均勻，系統(tǒng)的光功率利用率為 5%。換用不同功率的LED，可控制被照面上的最大光強(qiáng)。
[0058]根據(jù)實(shí)施案例，實(shí)施例得到了300s被照面的均勻式間歇照明，滿足了對(duì)光遺傳學(xué) 細(xì)胞激活檢測(cè)的功能需求。對(duì)于不同場(chǎng)合的照明需求，可以根據(jù)實(shí)際情況更換LED發(fā)光波長(zhǎng) 以及套筒的尺寸，只要保證各光學(xué)元件之間的相對(duì)位置正確，即可在被照明面上得到間歇 式均勻照明。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種對(duì)被照面進(jìn)行可控間歇均勻照明的照明系統(tǒng)，其特征在于:包括外殼、快口和沿 同一光軸依次安裝在外殼中的藍(lán)光LED(l)、第一光闊（3)、第一透鏡(4)、第二光闊（8)和第 二透鏡(9)，外殼包括依次同軸相銜接安裝的第一套筒(2)、開(kāi)槽套筒(5)、第二套筒(6)、第 Ξ套筒(7)、第四套筒（10)和第五套筒（11)，藍(lán)光LED(l)安裝在第一套筒(2)的尾端，第一光 闊（3)安裝在第一套筒(2)的頭端和開(kāi)槽套筒(5)的尾端之間，開(kāi)槽套筒(5)內(nèi)安裝有第一透 鏡(4)，第一透鏡(4)沿開(kāi)槽套筒巧巧由向活動(dòng)移動(dòng)，開(kāi)槽套筒(5)的頭端經(jīng)第二套筒(6)與第 Ξ套筒(7)的尾端連接，第二光闊（8)安裝在第Ξ套筒(7)的頭端和第四套筒（10)的尾端之 間，第四套筒（10)頭端與第五套筒（11)固定連接，第二透鏡(9)安裝在第四套筒（10)或第五 套筒（11)內(nèi)，快口安裝在第二光闊（8)處，快口與快口驅(qū)動(dòng)電路連接;藍(lán)光LED(1)發(fā)出的光 依次經(jīng)第一光闊（3)進(jìn)光控制、第一透鏡(4)折射、第二光闊（8)和快口進(jìn)光控制、第二透鏡 (9)折射后出射。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對(duì)被照面進(jìn)行可控間歇均勻照明的照明系統(tǒng)，其特征在 于:所述外殼中安裝的各個(gè)光學(xué)元件滿足W下關(guān)系：其中，L1為光源至第一透鏡的距離，L2為第一透鏡至第二光闊的距離，L3為第二光闊至 第二透鏡的距離，L4為第二透鏡至被照面的距離，fl為第一透鏡的像方焦距，f2為第二透鏡 的像方焦距。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對(duì)被照面進(jìn)行可控間歇均勻照明的照明系統(tǒng)，其特征在 于:所述的開(kāi)槽套筒(5)中屯、孔內(nèi)裝有兩個(gè)卡環(huán)（13)，卡環(huán)（13)與中屯、孔螺紋配合，開(kāi)槽套 筒(5)的兩側(cè)開(kāi)有用于移動(dòng)卡環(huán)（13)的通槽，第一透鏡(4)安裝在兩個(gè)卡環(huán)（13)之間，通過(guò) 螺紋副調(diào)整卡環(huán)(13)在中屯、孔的軸向位置調(diào)整第一透鏡(4)的在光軸上的位置。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對(duì)被照面進(jìn)行可控間歇均勻照明的照明系統(tǒng)，其特征在 于:還包括光控電路板（12)，光控電路板（12)安裝在開(kāi)槽套筒(5)側(cè)面，光控電路板（12)上 設(shè)有快口驅(qū)動(dòng)電路。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種對(duì)被照面進(jìn)行可控間歇均勻照明的照明系統(tǒng)，其特征 在于:所述的快口驅(qū)動(dòng)電路包括單片機(jī)U1，電容C1和電容C2串聯(lián)后與晶振Y1-起并聯(lián)到單 片機(jī)U1的XTAL1腳和XTAL2腳之間，單片機(jī)U1的P2.0腳與運(yùn)算放大器U2A的正向輸入端連接， 運(yùn)算放大器U2A的反向輸入端經(jīng)電阻R1連接到其輸出端，并經(jīng)電阻R2接地，單片機(jī)U1的P2.7 腳與運(yùn)算放大器U1A的正向輸入端連接，運(yùn)算放大器U1A的反向輸入端經(jīng)電阻R3連接到輸出 端，并經(jīng)電阻R4接地，由此構(gòu)成兩個(gè)同向比例放大電路，運(yùn)算放大器U2A和運(yùn)算放大器U1A的 輸出端連接到快口的兩控制端。
【文檔編號(hào)】F21K9/60GK205579207SQ201620412434
【公開(kāi)日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年5月7日
【發(fā)明人】吳婉潔, 鄭純琪, 歷洪建
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)