引言

基于CCD图像处理的荧光定量检测系统, 需要均匀的面照明并配合冷却型CCD积分采集所激发产生的荧光光子。由于荧光标记物一般需要较强的激发光源和较高的均匀度, 商业化的检测仪常以激光二极管对X/Y方向进行均匀扫描或使用高压汞灯、氙灯进行聚光照明。由于激光二极管功率较小和具有典型的高斯分布, 为提高功率密度和消除高斯分布影响, X/Y扫描时激光束聚焦达到微米级别, 造成扫描速度缓慢。而高压汞灯和氙灯均为高压气体灯, 工作启停时间长, 发热量大, 寿命短。随着半导体工艺的发展, 目前LED已经实现高效率的大功率发射, 如美国Luminus Devices公司的单芯LED芯片PT54TE, 其发光面积5.4 mm², 红/绿单色可产生高达4.1 W的光辐射输出, 光通量超过1 000 lm, 这使得大功率LED的光照设计大为简单^[1]。LED芯片具有许多的优点, 光输出稳定度高、寿命长、光强可精确控制, 单色大功率LED和高压汞灯、氙灯相比, 有效的光谱能量更集中, 是产生大功率单色光的最佳器件, 可以代替常用的高压汞灯或氙灯^[2]。

虽然单颗大功率LED的能量密度大幅提升, 但单个LED的功率依然不能满足大面积、高亮度的照明要求。因LED是非相干光源, 多个LED的照明作用可以等效为其单个照明的线性叠加。考虑到目标平面要求光照度均匀分布, 最有效的方法是使用LED阵列, 采用优化排布方式和投射距离, 以实现激发光的照明强度和均匀度的要求^[3]。

采用优化设计的大功率LED阵列代替高压汞灯或氙灯作为荧光激发光源, 再由冷却型CCD相机积分采集所产生的荧光光子, 其检测速度较快, 高精度运动部件少, 成本也较低^[4]。

1 原理

基于CCD的双通道荧光检测系统需要双色窄带照明光源, 荧光染料常用Cy3和Cy5, 一般以Cy3染料标记对照组样品, 而以Cy5标记待测样品^[5]。Cy3的吸收峰值在550 nm左右, 发射峰值约570 nm, Cy5的吸收峰值在649 nm左右, 发射峰值约在670 nm, 荧光染料Cy3与Cy5的激发光吸收光谱与荧光发射光谱如图 1所示^[6]。

PT54TE的红色LED发射光谱中心为613 nm, 绿色LED发射光谱中心为525 nm^[7]。为它们配备深截止的窄带滤光片, 可分离出满足要求的荧光激发光源。

LED芯片是一个面发光的光源, 实际的LED并非都是理想的朗伯体, 其光强分布是发光角余弦函数多次方的类朗伯体^[8-12]。LED芯片较为近似的光强分布方程为^[8-12]

(1)

式中:θ是发光角度, 为光线和光轴的夹角; E₀(r)为LED沿轴向(θ=0)并且距离光源为r处的光照度; m为LED的光辐射模式, 其值取决于LED的结构和材料。当m=1时, LED为一个理想的朗伯体。设半光强角θ_1/2为LED的发光强度值等于其轴向发光强度值一半时的发光角度, 则m可通过θ_1/2来确定^[8], 即

(2)

根据PT54TE数据手册的参数, 红色PT54TE的半发光角度θ_1/2约为60°, 根据式(2)可得m≈1.0^[7]。

由于单芯LED芯片的发光面积和投射距离r的比值一般较小, 可假设该LED为点光源。当LED发出的光投射到与光轴相垂直的一个确定的目标平面上, 由式(1)可以推出该目标平面上某点的照度为

(3)

式中:I₀为LED轴向方向上的光照强度; r为LED到目标平面上的观测点的直线距离。

将式(3)改写到O-xyz直角坐标系, 设z表示LED到目标平面的距离, 则xy平面内的LED阵列到目标平面内待观测的K(x, y, z)点的照度为^[8]

(4)

式中:(x₀, y₀)为LED分布在xy平面上的坐标; m为LED光辐射模式。

对于环形的LED阵列, 排布方式如图 2所示。假设环形阵列上有N颗LED (N≥3), 由于LED为非相干光源, 则目标面上的照度为单个LED照度的线性叠加, 即该点照度是圆环上多颗LED共同照射的结果, 由式(4)可得K(x, y, z)点的照度

(5)

式中ρ为LED环形阵列的半径。

对于目标平面上的光照均匀问题, 可以根据斯派罗法则的最大限度平坦条件进行求解^{[8, 13]}。所以对式(5)作关于E(x, y, z)对x偏导, 则

(6)

对式(6)关于x的一阶偏导, 得

(7)

在x=0, y=0处, 令上式E(x, y, z)函数对x的二次导数, 可以得到

(8)

由于实际应用中z≠0、ρ≠0, 式(8)是在满足斯派罗法则的情况下, 由圆环阵列半径ρ、观测平面距离z、圆环阵列上LED个数N以及LED相应m值所确立的方程, 只要确定其任意3个参数, 就可以求解另外1个。

对于双圆环LED阵列, 由于K点的光强仍遵循线性叠加原理, 其光强可以视为各自圆环上多个LED共同作用的结果。设双圆环阵列的圆环上分别有P和Q颗LED (P、Q≥3), 由式(8)依据叠加原理可以得到, 在满足斯派罗法则的最大限度平坦条件下的双圆环LED阵列的约束等式

(9)

式(9)是由双圆环阵列半径ρ₁和ρ₂、目标平面距离z、双圆环阵列上的LED个数P和Q、以及LED相对应的m值所确立的方程(z≠0、ρ₁≠0、ρ₂≠0), 只要确定其任意5个参数, 就可以求解另外1个。

2 实验结果和分析

照明阵列使用8颗大功率单芯LED芯片PT54TE, 红绿各使用4颗, 其中每颗红色PT54TE-R光辐射4.1 W, 绿色PT54TE-G光辐射4.5 W。由于PT54TE红绿LED的半光强角θ_1/2均约60°, 其光辐射模式m的取值基本一致。

首先将4颗红色LED芯片PT54TE-G采用间隔90°布置, 分布在45°、135°、225°和315°的位置; 将4颗绿色大功率LED芯片PT54TE-G布置相对于红色LED的位置错开45°, 分布在0°、90°、180°和270°的位置, 其分布如图 3所示。

2.1 PT54TE环形阵列匀光照明设计

设定图 3中的4颗红色PT54TE-R的分布半径为ρ₁=30 mm, 因N=4, m=1, 由MATLAB求解式(8)可得z=36.74 mm。

由于目标平面和LED的安装位置相互固定, PT54TE-G绿色LED的投射高度z和PT54TE-R的取值一致, 由式(8)可知LED环形阵列在满足斯派罗法则的情况下, 阵列结构参数与LED的光强I₀无关。求解式(8)可得PT54TE-G的分布半径ρ′₁=30 mm, 与红色LED芯片PT54TE-R的分布半径ρ₁一致。

上述设计的PT54TE大功率LED的环型阵列, 对红绿通道分别使用Tracepro软件进行仿真。

由于PT54TE仍是一个面光源, 根据PT54TE规格书的参数, 由面光源特性生成器工具, 分别构建PT54TE-R红色LED和PT54TE-G绿色LED的面光源模型, 并在Tracepro内按图 3所示的阵列结构和半径ρ₁环型排布LED。当PT54TE-R红色大功率LED在光辐射输出4.1 W、N=4、ρ₁=30 mm和z=36.74 mm时, 追迹2×10⁶条光线, 其照明分布如图 4所示。

均匀度检测使用五点测量法, 将目标面内的最小照度值除以最大照度值就可以得到目标面的照度均匀度^[13]。红色通道LED阵列的均匀照明区域在坐标的中心位置-15 mm至+15 mm, 归一化的最小照度为0.925, 最大照度为0.970, 照明均匀度大于95.3%, 平均光通量大于459 lm。

当PT54TE-G绿色大功率LED在光辐射输出4.5 W、N=4、ρ₁=30 mm和z=36.74 mm时, 追迹2×10⁶条光线, 其照明分布如图 5所示。

绿色通道的均匀照明区域在坐标的中心位置-15 mm至+15 mm, 归一化的最小照度为0.935, 最大照度为0.980, 照明均匀度大于95.4%, 平均光通量大于727 lm。

2.2 配置内反射柱面镜的PT54TE环形阵列匀光照明设计

为了更有效地提高LED光线的利用率, 在上述环形阵列的LED芯片外侧, 采用8片全反射矩形镜片, 组成一个八边形柱面, 柱面内壁镜片有全反射膜。假定镜面反射率100%并忽略二次反射的影响, 相当于在镜像位置扩展出一个相应的LED′, 且半径ρ₂=ρ₁+2ρ_t, 其分布的环形阵列及镜像结构如图 6所示, 单颗LED及镜像效果的等效光路如图 7所示。

设定窄带滤光片半径为5 mm, 则LED距离反射镜内壁的最小距离ρ_t=5 mm; 设红绿共8颗PT54TE的分布半径均为30 mm, 即圆环半径ρ₁=30 mm, 则镜像LED′的分布半径ρ₂=ρ₁+2ρ_t=40 mm, 由MATLAB求解式(9)可得z=40.81 mm。

Cy3/Cy5生物芯片在检测台x′y′平面上所需要的矩形均匀光斑的尺寸为30 mm×30 mm, 其外切圆的直径d=42.2 mm。在图 6和图 7所示的结构中, 所配备的具有内反射功能的八边形柱面内壁的每片矩形镜片高z=40.81 mm, 宽a=2(ρ₁+ρ_t) tan22.5°=29.0 mm。设镜像LED′经过该柱面镜片投射到x′y′平面时的实际光斑宽度为B₁B₂, 则由相似三角形ΔA₃K₂K₃和ΔA₃K₁K₄、相似三角形ΔA₃A₁A₂和ΔA₃B₁B₂的边比关系可得:

(10)

式中:r=d/2=21.1 mm; A₁A₂=29 mm。

求解式(10)有B₁B₂=a(ρ₂-21.1 mm)/ρ_t=109.6 mm > 42.2 mm, 所以镜像LED′经过柱面镜片等效投射到目标平面30 mm×30 mm面积内的光线, 没有缺失。针对设计的PT54TE大功率LED等效的双环型阵列, 使用Tracepro软件分别对其红绿通道进行仿真。

当PT54TE-R红色大功率LED在光辐射输出4.1 W、N=4、ρ₁=30 mm、ρ₂=40 mm和z=40.81 mm时, 追迹4×10⁶条光线, 其照明分布如图 8所示。

红色通道的均匀照明区域在坐标的中心位置-15 mm至+15 mm, 归一化的最小照度为0.930, 最大照度为0.970, 照明均匀度大于95.8%, 平均光通量大于700 lm。

当PT54TE-G绿色大功率LED在光辐射输出4.5 W、N=4、ρ₁=30 mm、ρ₂=40 mm和z=40.81 mm时, 追迹4×10⁶条光线, 其照明分布如图 9所示。

绿色通道的均匀照明区域在坐标的中心位置-15 mm至+15 mm, 归一化的最小照度为0.945, 最大照度为0.990, 照明均匀度大于95.4%, 平均光通量大于1 114 lm。

3 结论

设计了由4颗红色PT54TE-R和4颗绿色PT54TE-G单芯大功率LED并配置八边形内反射镜片所组成的双通道照明阵列, 使用Tracepro追迹4×10⁶条光线, 仿真表明在目标平面(30 mm×30 mm)内的照明强度和均匀度均较高, 其超过700 lm的光通量和95.4%的均匀度, 相比于未配置反射镜片的环形阵列, 照明均匀度略优但光通量至少提高52.5%, 同时该阵列没有复杂的光学镜片系统, 结构简单, 轴向尺寸紧凑, 具有一定的优越性。