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针对荧光偏振免疫分析仪对光源的需求,提出使用发光二极管(LED)作为激发光源并设计了口径小、结构紧凑且准直度高的配光系统。根据LED 的发光特性,采用折射自由曲面和反射自由曲面组合的方式实现对光源的准直。利用几何光学理论建立光源与目标面之间的关系方程确定面型参数。仿真分析结果表明,对1 mm×1 mm LED面光源可以实现发散角为±2.4°的准直照明,系统能量利用率可达85%以上。实现了结构紧凑、准直性能高的设计目标,为荧光偏振免疫分析仪激发光学系统的小型化提供了一种有效的设计方案。
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52, 112204(2015)
激光与光电子学进展
Laser & Optoelectronics Progress
©2015《中国激光》杂志社
112204-1
荧光偏振免疫分析仪光源准直系统设计
胡文波
1,2
巩 岩
1
1
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2
中国科学院大学, 北京 100049
摘要 针对荧光偏振免疫分析仪对光源的需求,提出使用发光二极管(LED)作为激发光源并设计了口径小、结构紧凑
且 准 直 度高 的 配光 系统 。 根据 LED 的发 光特 性 ,采 用折 射 自由 曲面 和 反射 自由 曲 面组 合的 方 式实 现 对 光 源的 准
直。利用几何光学理论建立光源与目标面之间的关系方程确定面型参数。仿真分析结果表明,对 1 mm×1 mm LED
面光源可以实现发散角为±2.4°的准直照明,系统能量利用率可达 85%以上。实现了结构紧凑、准直性能高的设计目
标,为荧光偏振免疫分析仪激发光学系统的小型化提供了一种有效的设计方案。
关键词 光学设计; 非成像光学; 荧光偏振免疫分析仪
中图分类号 O439 文献标识码 A
doi: 10.3788/LOP52.112204
Design of Collimating Illumination for Fluorescence Polarized
Immunoassay Analysis Device
Hu Wenbo
1,2
Gong Yan
1
1
State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese
Academy of Sciences, Changchun, Jilin 130033, China
2
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract Based on the requirements of light source used in fluorescence polarized immunoassay analysis device,
light emitting diode (LED) is proposed to use as stimulating source and illuminating system with small size, compact
structure and high collimation is designed. Referring to the luminous characteristics of LED, a new system combined
with refractive and reflective freeform surfaces is designed for collimating. Equations between the source and target
surfaces are presented through the theory of geometrical optics to get the surface parameters. The simulation results
show that the collimating system can achieve ± 2.4° diverging angel for a 1 mm × 1 mm LED surface source with
efficiency no less than 85%. Accomplishing the expected of compact construction and high collimation, the paper
offers an effective reference for compact design of fluorescence polarized immunoassay analysis device.
Key words optical design; non-imaging optics; fluorescence polarized immunoassay analysis device
OCIS codes 220.4298; 230.3670; 220.2945
1 引 言
荧光偏振免疫分析(FPIA)是一种将荧光偏振原理和免疫分析原理结合起来的分析方法。采用 FPIA 原
理制做而成的检测仪器称为荧光偏振免疫分析仪,该类仪器被广泛应用于检测农药残留、食品添加剂、污染
源以及防控传染病等方面
[1-2]
。荧光偏振免疫分析仪的光学系统由两部分组成:荧光激发光学系统和荧光检
测光学系统。传统的荧光偏振免疫分析仪激发光学系统大多采用宽光谱的氙灯或卤素灯作为光源
[3]
。由于
适用于 FPIA 的荧光物质种类有限,激发光源中有效光谱成分集中在几个特定波段,因此采用宽光谱光源能
量利用率较低。发光二极管(LED)不仅具有体积小、效率高、寿命长、无污染等优点,还具有能量高、带宽窄
收稿日期: 2015-05-13; 收到修改稿日期: 2015-06-19; 网络出版日期: 2015-10-20
基金项目: 吉林省重大科技攻关专项(20140203001GX)
作者简介: 胡文波(1990—),女,硕士研究生,主要从事光学设计方面的研究。E-mail: huwb113@163.com
导师简介: 巩 岩(1968—),男,博士,研究员,主要从事短波光学、光学系统设计和成像光谱技术方面的研究。
E-mail: gongy@sklao.ac.cn
52, 112204(2015)
激光与光电子学进展
www.opticsjournal.net
112204-
的特点。因此采用 LED 作为激发光源,并设计适用于荧光偏振免疫分析仪的光源准直配光系统。
自由曲面可以根据设计要求任意配光并且可以有效控制光线的传播角度,因而被广泛应用于 LED 照明
光学系统中
[4]
。目前自由曲面准直透镜的设计方法主要有数值计算方法和优化设计方法。数值计算方法是
指根据设计目标 与光学条件建立 面型的偏微分方程组并进行求解
[5-7]
,此方法的求解比较复杂;优化设计方
法是指通过编程软件和光学软件的交互式调用或利用光学设计软件建立评价函数和优化函数,实现对自由
曲面的优化
[8-11]
,此方法的初始结构需依靠设计者的经验来确定并且优化过程需花费大量的时间。本文采用
几何光学理论
[12-14]
与 B 样条插值方法
[15]
建立自由曲面,不仅避免了复杂的数值计算并且不依赖于任何优化软
件,可以快速得到理想的系统结构。
2 准直配光系统结构
全内反射透镜(TIR)被广泛应用于照明领域。采用折射自由曲面和全内反射自由曲面组合的方式实现
光源准直,结构如图 1 所示,系统结构关于光轴旋转对称,由 5 个面 构成 :折射 曲面 Ⅰ、折射平面Ⅱ、平面Ⅲ、
反射 曲面 Ⅳ和出射平面Ⅴ,其 中Ⅰ 、Ⅳ为待求自由曲面,Ⅱ、Ⅴ为普通折射平面。曲面Ⅰ与平面Ⅱ的交点为
P,光 源 O
与
P 点的连 线与光轴的夹角 为 b,光 源发出的光被 OP 分为 两部分:出射 角小于 b 的 光线经曲面Ⅰ
折射后平行于光轴出射;出射角大于 b 的光线经平面 Ⅱ折 射、曲面Ⅳ反射后平行于光轴出射。由图 1 可知,
角度 b 与光源到曲面Ⅰ顶点的距离 d 共同决定了曲面Ⅰ和平面Ⅴ的口径大小。通常平面Ⅱ相对于光轴方向
有 2°~3°的角度倾斜
[16]
,即图中的 a。
图 1 准直系统结构
Fig.1 Structure of the collimator system
将图 1 所示的结构沿光轴旋转 360°就可以得到配光系统的三维结构,透镜的材料使 用聚甲基丙烯酸甲
酯(PMMA)。
3 自由曲面的建立
自由曲面准直配光系统的建立分为两部分:自由曲面斜率的求解与自由曲面的构造。自由曲面斜率的
求解 是利 用几 何光 学理 论寻 求曲 面上 任意 点的切线向量,自由曲面的构造以此为基础通过求得离散点集、
拟合曲线并旋转得到自由曲面。
3.1 自由曲面斜率的求解
1) 折射曲面Ⅰ
光源 O 发出与光轴夹角小于 b 的光线经过曲面Ⅰ上任意一点 P 发生折射,如图 2 所示,光线 OP 与光轴的夹
角为 q
p
,入射角为 q
i
,折射角为 q
t
,经曲面折射后光线与光轴的夹角为
θ
′
p
,P 点处的切线向量 T 与 y 轴夹角为 q
T
。
图 2 折射曲面几何光学关系
Fig.2 Geometrical optics relation of the refractive surface
2
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