申请/专利权人：达科为(深圳)医疗设备有限公司

申请日：2019-07-01

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN110221422B

主分类号：G02B21/08

分类号：G02B21/08;G02B21/06

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2019.10.08#实质审查的生效;2019.09.10#公开

摘要：本发明涉及以小型化低功耗光源的照明技术领域，具体是一种基于米氏散射的均匀光照的照明装置与方法，应用于显微镜光源领域，解决了传统均匀光源实现结构复杂、小型化困难、产品价格昂贵的问题。基于米氏散射的均匀光显微照明装置，包括光源、米氏散射器件、光学腔、聚光镜。米氏散射器件为分布着米氏散射介质粒子的一种固体透明或半透明光学器件，置于光学腔内，光源发出的光通过米氏散射器件形成均匀照射光，通过聚光镜集中照射于聚光镜焦点上。本发明结构简单且小型化、功耗低、光照均匀、性能稳定、使用寿命长、成本低，适用于显微镜光源，特别是小型光学显微镜光源领域。

主权项：1.一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置，其特征在于，包括光源、米氏散射器件、光学腔和聚光镜；其中，光源位于米氏散射器件的一侧，聚光镜位于米氏散射器件的另一侧，所述米氏散射器件套设在光学腔内；光源用于发出光照射到米氏散射器件上；米氏散射器件用于将光源射入的光发散照射到聚光镜上；聚光镜用于将米氏散射器件射入的光进行聚焦输出；所述光源为发光二极管，或者半导体激光器；所述米氏散射器件是一种分布着米氏散射介质粒子的固体光学器件，该光学器件为透明，或者半透明，光学器件的折射率小于米氏散射介质粒子的折射率；所述光学腔是包裹在米氏散射器件外部的两端开口的中空筒状封闭腔，其内壁为反射光的镜面，或者黑色氧化层表面；所述聚光镜是一种能够将均匀光传播方向进行收缩，进行聚光照射的光学透镜或者光学透镜组合。

全文数据：一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置技术领域本发明涉及以小型化低功耗光源的照明技术领域，具体是一种基于米氏散射的均匀光照的照明装置与方法，应用于显微镜光源领域。背景技术光学显微镜光源系统，照射出来的光通常呈高斯分布，显微视野中央区域亮度最高，四周亮度较低，这种光照不均的问题，在数字显微镜中体现为数字图像呈现明暗照度不均，特别是数字病理全切片成像领域，多个显微视野的数字图像需要拼接，光照不均则导致拼接后的数字病理图像中存在明暗波动，必须通过数字图像亮度调整算法进行补偿，否则造成诊断医生的视觉疲劳，降低诊断效率与诊断精度。通常，数字病理图像尺寸较大，对于这样的大数据进行亮度补偿，计算效率低下，导致数字病理成像整体耗时较大。为了解决以上问题，高端的显微镜系统通常采用特殊设计的照明镜头，具有代表性为科勒照明，该照明利用集光透镜、场光阑、聚光器光阑以及聚光器透镜，按照顺序排列在光源和样品之间，能够产生非常均匀的样品照明，保证照明光分布不均所带来的不良影响在图像中的不可见。但是，这样的照明光学结构复杂，使用更多的透镜带来成本的提升，不利于照明系统的小型化以及低成本化。发明内容为了解决上述显微照明光照不均的问题，实现小型化、成本低、功耗低、使用寿命长的显微镜照明，本发明提出一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置。本发明的技术原理是这样的：一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置，其核心器件是一种充满米氏散射介质粒子的固体光学器件，该器件为透明或半透明的固体，材质为光学树脂或光学玻璃，具有将入射光束进行均匀散射输出的性能。在米氏散射器件的两侧，分别放置光源以及聚光镜，光源一端为光束入射端，聚光镜一端为光束输出端。为了使入射光进入米氏散射器件后不从器件向外透射，在米氏散射器件外侧包裹中空镜筒，为了提升光源的光照利用率，可对镜筒内壁进行全反射膜镀膜处理，为了进一步降低成本且光照亮度足够的情况下，可对镜筒内壁进行黑色氧化处理。当光源发出的光束照射入米氏散射器件后，由于器件内部充满介质粒子，光束遇到这些粒子会发生大量的米氏散射，这些散射的光在通过米氏散射器件的过程中不断地进行散射与叠加，最终输出光照均匀的光。当镜筒内壁为全反射镀膜时，在米氏散射器件内发生散射的光，被镜筒内壁反射，并在期间内不断地发生散射、叠加与反射，导致光强损耗较少，米氏散射器件输出的光强较亮。当镜筒内壁为黑色氧化处理时，在米氏散射期间内发生散射的光，照射到镜筒内壁，将不反射或者反射光极弱，导致光在米氏散射器件内传输的损耗较大，米氏散射期间输出的光强较弱。当光源采用彩色发光二极管时，由于二极管制作工艺原因，红色光、蓝色光、绿色光三种发光二极管不能集成于相同位置，经过聚光镜，形成位于不同位置的三个焦点，导致显微观察出现色彩偏差。但是，基于米氏散射理论，米氏散射的程度跟波长无关，光子散射后性质保持不管，因此，经过米氏散射器件，尽管三种发光二极管处于不同的位置，但是仍然获得稳定的均匀白色输出，且能够通过聚光镜，形成一个焦点。当光源采用白光发光二极管时，每一个二极管发出的白色光，其光谱成分均不相同，但是，基于上述米氏散射理论，经过米氏散射器件所输出的白色光，尽管发光二极管不同，但仍能形成稳定均匀的白光输出，提升了光源的稳定性。本发明与传统技术相比，具有以下优势：（1）本发明所输出的白色光，光照均匀，光谱分布均匀，传统显微光源照明光亮呈高斯分布，不同照明的光谱分布不一定相同。（2）本发明能够经光源体积缩小，且能够保证较高光源利用率，传统光源体积大，且不能保证光源利用率。（3）本发明结构简单且装配简单，实现聚焦照射，仅需要一枚光学镜头，传统光源需要多枚透镜组合才能实现照射相对均匀的光源。（4）本发明光源采用发光二极管，功耗低、价格便宜，且能够持续使用5万小时以上，因此，相对于传统光源，本发明稳定、可靠，使用时间长。综上所述，本发明能够实现小型化、成本低、功耗低、使用寿命长均匀光显微照明装置。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1为本发明一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置的结构示意图；图2为本发明一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置的光路示意图；图3为本发明一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置在数字病理显微成像中的应用示意图；图4为使用本发明一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置照明时的显微图像；图5为使用传统显微照明装置照明时的显微图像。附图标记：101-光源；102-光学腔；103-米氏散射器件；104-米氏散射介质粒子；105-聚光镜；201-光源发出的光；202-经过米氏散射介质粒子散射的光；203-散射光照射到光学腔壁上进行反射的光；204-通过米氏散射器件射出的光；205-通过聚光镜汇聚的光；206-汇聚光形成的光照面；301-微型LED发光芯片；302-UV固化光学粘合胶；303-米氏散射微棒；304-纳米微球；305-透明聚碳酸酯；306-镜筒；307-平凸透镜；308-出射光线；309-载玻片；310-被观测细胞；311-盖玻片；312-显微物镜；402-使用传统照明时图像中心亮；403-使用传统照明时图像四周暗。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。以下将本发明的一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置做进一步详细描述，但不应该限定本发明的保护范围。本发明的目的在于提供一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置，为图像背景亮度均匀的显微镜观察或图像采集，特别是数字病理全切片成像提供一种解决方案。如图1所示，一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置，其包括光源101、米氏散射器件103、光学腔102和聚光镜105。其中，光源101可以为小型化低功耗光源。光源101位于米氏散射器件103的一侧，聚光镜105位于米氏散射器件103的另一侧。米氏散射器件103套设在光学腔102内。光源101用于发出光照射到米氏散射器件103上。米氏散射器件103用于将光源101射入的光发散照射到聚光镜105上；聚光镜105用于将米氏散射器件103射入的光进行聚焦输出。图2为本发明基于米氏散射的均匀光显微照明装置的光路示意图。其中，箭头201为光源101发出的光，箭头202为经过米氏散射介质粒子104散射的光，箭头203为散射光照射到光学腔壁上进行反射的光，箭头204为通过米氏散射器件103射出的光，箭头205为通过聚光镜105汇聚的光，206为汇聚光形成的光照面。上述的光源101可以为发光二极管或半导体激光器。米氏散射器件103可以是一种分布着米氏散射介质粒子104的固体光学器件。米氏散射介质粒子104分布在固体光学器件内部。该光学器件为透明，或者半透明。光学器件的折射率小于米氏散射介质粒子104的折射率。光学腔102可以是包裹在米氏散射器件103外部的两端开口的中空筒状封闭腔，其内壁为反射光的镜面，或者黑色氧化层表面。聚光镜105是一种能够将均匀光传播方向进行收缩，进行聚光照射的光学透镜或者光学透镜组合。在一个具体的应用示例中，如图3所示，上述的光源101可以为微型LED发光芯片301，米氏散射器件103为米氏散射微棒303，光学腔102为镜筒306，聚光镜105为平凸透镜307。在该示例中，所述一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置包括微型LED发光芯片301、米氏散射微棒303、镜筒306、以及平凸透镜307。所述米氏散射微棒303，是透明聚碳酸酯305为基础材料，其中掺杂乳酸-羟基乙酸聚合物（PLGA）或者聚乙烯醇（PVA）为材料、直径为1-100纳米的纳米微球304的小型柱体光学器件，纳米微球304即为前述的米氏散射介质粒子104。柱体直径与LED发光部分的直径相同或近似，聚碳酸酯的折射率小于纳米微球的折射率，纳米微球的分布为随机分布，这样，可使入射光照射到纳米微球，从而发生米氏散射。所述镜筒306为包裹米氏散射微棒303表面的不透光中空圆筒，其内壁具有光反射镜面镀膜，可以反射米氏散射光，以保证出射光具有较强的亮度。所述平凸透镜307是具有两个表面的一枚透镜，一个表面为平面，另一个表面为球面，将米氏散射微棒303的出射光进行汇聚，汇聚点的距离等于平凸透镜307的焦点距离。所述微型LED发光芯片301与平凸透镜307使用UV固化光学粘合胶302分别粘合在米氏散射微棒的输入端与输出端，微型LED发光芯片301的发光表面与米氏散射微棒303的输入端表面粘合，平凸透镜307的平面表面与米氏散射微棒303的输出端粘合。所述一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置的一种实施例，其使用方法是这样的：如图3所示，首先对微型LED发光芯片301通电，LED表面发光，光束在米氏散射微棒303内部发生米氏散射，以使均匀的白光从米氏散射微棒303输出，并照射在平凸透镜307的平面表面，通过平凸透镜307的折射，均匀白光即平面透镜307的出射光线308被汇聚照射在平凸透镜307的焦点上。此时，如果被观测物体为组织切片上的被观测细胞310，组织切片位于载玻片309和盖玻片311之间。组织切片位置在均匀白光汇聚焦点上，均匀白光透过组织切片形成物体光，照射到光学显微镜的显微物镜312中，通过显微镜光学系统，物体光被放大并成像于数字图像传感器上，通过计算机对数字图像传感器数据的读取与编码，形成数字显微图像，显示在显示器上。由于照射在组织细胞上的光为均匀照射的白色光，因此在数字显微图像上，将不能观测到原始LED发出的光亮呈高斯分布的明暗不同的背景，而是背景光亮均匀的图像。其中，图4为使用本发明一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置照明时的显微图像，图5为使用传统显微照明装置照明时的显微图像。图5中的402为使用传统照明时图像中心亮，403为使用传统照明时图像四周暗。通过对比图4和图5，可以看出本发明所输出的白色光，光照均匀，光谱分布均匀；而传统显微光源照明光亮呈高斯分布，光照分布不均匀。这里需要说明的是：在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置，其特征在于，包括光源、米氏散射器件、光学腔和聚光镜；其中，光源位于米氏散射器件的一侧，聚光镜位于米氏散射器件的另一侧，所述米氏散射器件套设在光学腔内；光源用于发出光照射到米氏散射器件上；米氏散射器件用于将光源射入的光发散照射到聚光镜上；聚光镜用于将米氏散射器件射入的光进行聚焦输出。2.根据权利要求1所述的一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置，其特征在于，所述光源为发光二极管，或者半导体激光器。3.根据权利要求1所述的一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置，其特征在于，所述米氏散射器件，是一种分布着米氏散射介质粒子的固体光学器件，该光学器件为透明，或者半透明，光学器件的折射率小于米氏散射介质粒子的折射率。4.根据权利要求1所述的一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置，其特征在于，所述光学腔，是包裹在米氏散射器件外部的两端开口的中空筒状封闭腔，其内壁为反射光的镜面，或者黑色氧化层表面。5.根据权利要求1所述的一种基于米氏散射的均匀光显微照明装置，其特征在于，所述聚光镜，是一种能够将均匀光传播方向进行收缩，进行聚光照射的光学透镜或者光学透镜组合。

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