CN113687504A - 用于微小物体观测的均匀照明装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于微小物体观测的均匀照明装置及其使用方法,本发明的装置包括半积分球和光纤冷光源,半积分球的壳壁上设有至少四个进光孔,在半积分球内部,每个进光孔对应地设有一个竖直的圆形遮光屏;光纤冷光源包括光源壳体,在光源壳体内部设有光源和平凸透镜,在光源壳体上设有一个光纤连接口,光纤的入射端与光纤连接口固定连接,光纤的出射端分别与进光孔固定连接且均伸入半积分球的内腔中正对圆形遮光屏。本发明用以给微小物体提供均匀光照环境的装置,满足体视显微镜的数码成像拍照、摄像或光谱成像观测的需要。
Description
技术领域
本发明涉及实验室照明装置技术领域,尤其涉及一种用于微小物体观测的均匀照明装置及其使用方法。
背景技术
为了使微小物体在反射观测模式中通过体视显微镜等观察、摄像和测量仪器或装置中成像清晰,通常需要外置光源提供一定亮度的照明条件。
以体视显微镜为例,目前体视显微镜通常采用环形光源提供环形照明或双光束的点光源装置提供45度照明,在样品的表面不平整时,观测结果存在阴影或高光的现象,对显微成像造成一定影响。
现有积分球技术可以提供高均匀性的光照条件,但通常积分球体积过大,而显微镜的工作距离较小,因此积分球在体视显微镜的显微成像中难以有效应用。现有技术中记载了一种用于显微镜的穹顶均匀光源装置,该技术在不同倍数上实现半积分球的高度自动适配,但灯组数量、排列位置对光照均匀性影响较大;此外,该技术采用LED光源,LED光源的尺寸和光谱特征限制了显微镜在光谱成像中的应用。
因此,设计一个提供均匀光照环境的装置,满足体视显微镜的数码成像拍照、摄像或光谱成像观测的需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于微小物体观测的均匀照明装置及其使用方法,用以微小物体通过体视显微镜进行观察、摄像时,提供相对更均匀的照明条件。
为解决上述技术问题,本发明提供一种用于微小物体观测的均匀照明装置,设于体视显微镜的物镜的下方,包括半积分球和光纤冷光源;
所述半积分球为中空的半球体,底部设有半积分球底板,半积分球和半积分球底板围合成一个封闭的空间,半积分球底板的中心设有观测孔,在半积分球的顶部开孔为接收孔,接收孔和观测孔的几何中心在一条直线上;在半积分球的侧面壳壁上设有至少四个进光孔,进光孔位于同一水平面且相互之间距离相等;在半积分球的内腔,每个进光孔对应地设有一个竖直的圆形遮光屏;
所述光纤冷光源包括封闭的光源壳体,在光源壳体内部设有光源和平凸透镜,光源位于平凸透镜的焦点位置,在光源壳体上设有一个光纤连接口,且光纤连接口、光源和平凸透镜的中心在同一条直线上;光纤的入射端与光纤连接口固定连接,光纤的出射端分别与所述进光孔固定连接,每个光纤的出射端均伸入半积分球的内腔中且射出的光线正对圆形遮光屏。
作为本发明的一种用于微小物体观测的均匀照明装置的改进:
所述半积分球、圆形遮光屏和半积分球底板的材质为铝合金,表面均涂有聚四氟乙烯涂料,反射比为98%。
作为本发明的一种用于微小物体观测的均匀照明装置的进一步改进:
所述半积分球底板和半积分球固定连接成一整体放置于载物台上;
所述光源和平凸透镜通过金属支架与光源壳体固定连接。
作为本发明的一种用于微小物体观测的均匀照明装置的进一步改进:
所述观测孔的直径为8.0mm;
所述接收孔的直径为30mm,所述体视显微镜的物镜设于接收孔上方;
所述进光孔为的直径为2.0mm。
作为本发明的一种用于微小物体观测的均匀照明装置的进一步改进:
所述光源为卤素灯、氙灯或LED灯的一种,优选地,所述光源为卤素灯。
本发明还提供了上述用于微小物体观测的均匀照明装置的使用方法:
将待测的微小物体放置于载物台上,然后将半积分球放置于载物台上且使得待测的微小物***于观测孔的中心位置;打开光源,对待测的微小物体提供稳定的漫反射光照条件;然后通过调节体视显微镜的物镜相对接收孔的高度来实现焦距调节,对待测的微小物体进行成像或显微观测。
本发明的有益效果主要体现在:
1、本发明通过光纤导光,不受光源的尺寸、种类影响,其次避免光源发热对样品测量的影响;
2、本发明的均匀照明装置通过半积分球设计,发射光线经过多次漫反射后照射到观测区域,同时结合光纤导光方式,减少半积分球表面的开孔面积,提高了体视显微镜观测区域的光照均匀性,特别适用于对光照均匀性较高的微小物体观测;
3、本发明将待测的微小物体放置于半积分球的密闭均匀光照环境中,从而降低外界环境光对显微成像的影响;
4、本发明的均匀照明装置与显微数码成像装置、体视显微镜分离设置,即可用于对微小物体的成像提供均匀照明,也可实现显微观测的实验。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为本发明的一种用于微小物体观测的均匀照明装置及其使用方法的结构示意图;
图2为图1中半积分球的俯视示意图;
图3为实验1基于蒙特卡罗(Monte Carlo)的光线追迹方法的仿真中接收面的区域光照均匀性计算的划分示意图;
图4为实验1提供的均匀照明的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述,但本发明的保护范围并不仅限于此:
实施例1、一种用于微小物体观测的均匀照明装置及其使用方法,如图1-2所示,包括半积分球1和光纤冷光源,将两者结合用于微小物体观测的均匀照明,应用于体视显微镜的观测。
半积分球1为中空的半球体,内径为60.0mm,外径为85.0mm,在半积分球1的底部设有与半积分球1的底面形状、大小相一致的半积分球底板5,半积分球1的内壁和半积分球底板5的材质为铝合金,表面均为朗伯漫反射面涂有具有高反射比的聚四氟乙烯涂料,反射比为98%,从而使得半积分球1和半积分球底板5围合成一个封闭的空间且形成良好的光反射效果,提供给所观测的微小物体以均匀照明;半积分球底板5的中心设有圆形的观测孔6,观测孔6的直径为8.0mm;半积分球底板5和半积分球1固定连接成一整体放置于载物台7上,使用时,先将待测的微小物体放置于载物台7上,然后将半积分球1放置于载物台7上且使得待测的微小物***于观测孔6的中心位置;
在半积分球1的顶部设有一个圆形的贯穿孔为接收孔3,接收孔3直径30mm,接收孔3的直径略大于显微镜物镜的直径,接收孔3和观测孔6的圆心在一条直线上,接收孔3上方为体视显微镜的物镜,显微镜上方设有一个电子目镜,用于连接显微数码成像装置,通过体视显微镜镜臂上高度升降旋钮调节体视显微镜的物镜相对接收孔3的高度(低于接收孔3的高度进入半积分球1的内部或者高于接收孔3的高度),从而能够实现焦距调节顺利地观测或拍摄位于观测孔6中心位置的微小物体;
在半积分球1的侧面壳壁上设有四个进光孔4,进光孔4的直径为2.0mm,相互之间等距等高,即四个进光孔4位于同一水平面,且相互间距离相等;每个进光孔4上有2个左右对称的M4螺丝底孔;
在半积分球1的内腔,竖直设有四个圆形遮光屏2,每个圆形遮光屏2位于对应的一个进光孔4的内侧且正对进光孔4,即圆形遮光屏2的圆心和进光孔4的圆心均位于同一水平面,且圆形遮光屏2在水平面的投影位于进光孔4、观测孔6在水平面的投影之间,用以确保入射光线不直接照射到物体表面,防止进光孔4的入射光直接从接收孔3射出或直射到观测孔6的微小物体表面;圆形遮光屏2的材质为铝合金,表面均为朗伯漫反射面涂有具有高反射比的聚四氟乙烯涂料。
光纤冷光源包括封闭的光源壳体24,在光源壳体24内部设有光源21和平凸透镜22,光源21位于平凸透镜22的焦点位置,光源21和平凸透镜22通过金属支架与光源壳体24固定连接,在光源壳体24上设有一个光纤连接口25,且光纤连接口25、光源21和平凸透镜22的中心在同一条直线上;光纤23的入射端与光纤连接口25固定连接,光纤23的出射端一分为四,分别通过M4螺丝与半积分球1主体上的四个进光孔4固定连接,光纤23的出射端均进入半积分球1的内腔中且射出的光线正对圆形遮光屏2从而发生漫反射。
光纤23选用玻璃材质,具有高耐热性和高透光率的特点;本实例中光源21采用150W的卤素灯作为照明光源,光源21的发射光透过平凸透镜22形成平行光,然后平行光通过光纤23的入射端到达光纤23的4个出射端,从而进入半积分球1的内部,然后受到圆形遮光屏2的遮挡,入射光线在半积分球1的内部发生多次漫反射,从而给观测孔6的的微小物体提供均匀照明;通过本实施例的均匀光照装置能够消除现有光照环境存在的明显阴影影响,本实例中采用光纤导光,避免光源光线杂散、光源发热、光源尺寸过大、光源数量过多导致结构复杂等问题,为体视显微镜观察、显微数码成像或光谱成像应用提供稳定的光照条件。
本装置的使用方法为:
1、将待测的微小物体放置于载物台7上,然后将半积分球1放置于载物台7上且使得待测的微小物***于观测孔6的中心位置;
2、打开光源21,对待测的微小物体提供稳定的漫反射光照条件;
3、按实验需求,选用显微数码成像装置或体视显微镜,通过体视显微镜镜臂上高度升降旋钮调节体视显微镜的物镜相对接收孔3的高度(低于接收孔3的高度进入半积分球1的内部或者高于接收孔3的高度),从而能够实现焦距调节顺利地观测或拍摄位于观测孔6中心位置的微小物体,进行成像或显微观测。
实验1:
本发明采用基于蒙特卡罗(Monte Carlo)的光线追迹方法,对实施例1所述的一种用于微小物体观测的均匀照明装置及其使用方法进行光线仿真模拟并分析均匀性。半积分球1的内壁和半积分球底板5设定为朗伯反射面,反射率为0.985。光源参数为格点光源,格点图形为圆形,主波长0.54μm,光束密度均匀分布。光线追迹的阈值为0.0005,多次反射后能量递减至低于阈值时认为光线能量被半积分球1的内壁吸收。
评价方法采用美国国家标准ANSI/NAPMIT7.228-1997,将观测孔6的75%接受面区域设为光照均与性评估的接收面,接收面的表面特性设置为100%完全吸收,将接收面分割为9个等面积矩形区域,如图3所示,取每个区域的中心点作为照度值采样点并对其编号P0~P8;照明面四个角再分别设置一个采样点P9~P12,编号分别位于各自直角顶点与中心点0P的连线上,与各自直角顶点之间的距离为直角顶点与0P距离10%;取P0~P12的照度值为E0~E12,Ea为E0~E8的平均值,即
定义照明面的均匀度为N%,计算公式如下:
其中N值越大,则光照越均匀。
本发明的均匀照明装置通过半积分球设计,发射光线经过多次漫反射后照射到观测区域,同时结合光纤导光方式,减少半积分球表面的开孔面积,提高了体视显微镜观测区域的光照均匀性,特别适用于对光照均匀性较高的微小物体观测。依照仿真模拟分析,如图4所示,将观测区域的照度值按照式(1)和式(2)进行仿真计算接收面的区域光照均匀性,仿真计算结果表明本发明实例1的观测孔6处的光照均匀性为84.72%。相比较常见的环形光纤光源装置或双光束的点光源装置,本发明提高了观测区域较高的光照均匀性,避免光源的发射光线直射到被观测物体表面而产生明显的高光现象。
最后,还需要注意的是,以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例,为获得更佳的光照均匀性,针对显微镜在不同放大倍数下的观测目的,可以通过针对不限于半积分球的尺寸、半积分球的开孔表面积、光纤数量等参数进行优化实现。显然,本发明不限于以上实施例,还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形,均应认为是本发明的保护范围。
Claims (6)
1.用于微小物体观测的均匀照明装置,设于体视显微镜的物镜的下方,其特征在于:包括半积分球(1)和光纤冷光源;
所述半积分球(1)为中空的半球体,底部设有半积分球底板(5),半积分球(1)和半积分球底板(5)围合成一个封闭的空间,半积分球底板(5)的中心设有观测孔(6),在半积分球(1)的顶部开孔为接收孔(3),接收孔(3)和观测孔(6)的几何中心在一条直线上;在半积分球(1)的侧面壳壁上设有至少四个进光孔(4),进光孔(4)位于同一水平面且相互之间距离相等;在半积分球(1)的内腔,每个进光孔(4)对应地设有一个竖直的圆形遮光屏(2);
所述光纤冷光源包括封闭的光源壳体(24),在光源壳体(24)内部设有光源(21)和平凸透镜(22),光源(21)位于平凸透镜(22)的焦点位置,在光源壳体(24)上设有一个光纤连接口(25),且光纤连接口(25)、光源(21)和平凸透镜(22)的中心在同一条直线上;光纤(23)的入射端与光纤连接口(25)固定连接,光纤(23)的出射端分别与所述进光孔(4)固定连接,每个光纤(23)的出射端均伸入半积分球(1)的内腔中且射出的光线正对圆形遮光屏(2)。
2.根据权利要求1所述的用于微小物体观测的均匀照明装置,其特征在于:
所述半积分球(1)、圆形遮光屏(2)和半积分球底板(5)的材质为铝合金,表面均涂有聚四氟乙烯涂料,反射比为98%。
3.根据权利要求2所述的用于微小物体观测的均匀照明装置,其特征在于:
所述半积分球底板(5)和半积分球(1)固定连接成一整体放置于载物台(7)上;
所述光源(21)和平凸透镜(22)通过金属支架与光源壳体(24)固定连接。
4.根据权利要求3所述的用于微小物体观测的均匀照明装置,其特征在于:
所述观测孔(6)的直径为8.0mm;
所述接收孔(3)的直径为30mm,所述体视显微镜的物镜设于接收孔(3)上方;
所述进光孔(4)为的直径为2.0mm。
5.根据权利要求4所述的用于微小物体观测的均匀照明装置,其特征在于:
所述光源(21)为卤素灯、氙灯或LED灯。
6.如权利要求1~5任一所述的用于微小物体观测的均匀照明装置的使用方法,其特征在于:
将待测的微小物体放置于载物台(7)上,然后将半积分球(1)放置于载物台(7)上且使得待测的微小物***于观测孔(6)的中心位置;打开光源(21),对待测的微小物体提供稳定的漫反射光照条件;然后通过调节体视显微镜的物镜相对接收孔(3)的高度来实现焦距调节,对待测的微小物体进行成像或显微观测。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20211123 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |