显微镜光源种类

2018-08-17 16:54:24 Pooher Inc. 272

早期的显微镜专家依靠油灯和自然阳光为其原始(但常常非常精确)的显微镜提供外部照明源。 他们经常采用相当聪明的采光方法,例如在大白板上反射或在阴天散射阳光。 不幸的是,这些方法不能提供可靠的照明,并且通常场照明的区域大大超过物镜数值孔径,造成眩光和泛光。

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现代显微镜通常有一个可以控制到较高程度的整体光源。今天的显微镜最常见的来源是白炽钨卤素灯泡放置在一个反射性的住房,通过收集镜头投射到地下聚光镜。灯电压通过可变变阻器来控制,变阻器通常集成在显微镜支架中。一个典型的照明灯和外壳如图1所示。该灯泡是一个卤钨灯,可在12伏的直流(DC)电压下工作,并可产生高达100瓦的照明功率。灯电压由内置于显微镜外壳内的直流电源控制,电压控制旋钮通常是安装在显微镜支架某处的电位计。这些灯泡在运行过程中会产生大量热量,并且外壳上设有多层散热片以帮助散热。灯的位置由照明器外壳侧面的一系列旋钮控制,或专门为外壳预定中心。来自灯箱的光线通过一个聚光透镜(图1)导入显微镜基座,然后经过一个烧结玻璃漫射器,然后聚焦在聚光镜的孔径光阑上。

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白炽灯 - 白炽钨基灯是现代显微镜中使用的主要照明光源,用于荧光显微镜检查的照明光源除外。这些灯是散热器,可发出从约300纳米延伸至1200-1400纳米以上的连续光谱,其中大部分波长强度集中在600-1200纳米区域,如图2所示。其设计,结构,操作简单,由一个装有惰性气体的封闭玻璃灯泡组成,并包含一个由直流电流激励的钨丝灯丝。灯泡产生大量的热量和光线,但光线只占其能量输出的5%至10%。钨灯(但不是钨卤素灯)在操作上与普通家用灯泡相似,并且同样倾向于受到几个缺点,例如随着蒸发的钨慢慢沉积,随着年龄的增加和内部封套的黑化,强度下降。这些灯的色温和亮度随着施加的电压而变化,但是平均值范围从大约2200K到3400K。当这些灯用于彩色胶片的显微摄影时,显微镜专家必须使用产生色温匹配的灯电压通常在3150K到3250K之间的某个范围内。通常,通过将滤光片插入光路中以平衡对于胶片乳剂色温的照明,必须对显微摄影进行微调。

钨灯在设计上差异很大,制造商提供的多种型号具有多种信封形状,安装夹具和灯丝布置。光学显微镜中使用的钨灯的典型选择如图3所示。图3(a)中的灯泡是6-12伏方形钨丝,带有青铜卡口基座,设计用于圆柱体的末端灯泡面向收集镜头。图3(b)所示的圆形信封灯泡也有一个青铜卡口基座,但这个功率较低的6伏灯泡可定位为侧向或端部投射光线。图3(c)中的灯泡也有一个圆形的外壳,但配有爱迪生螺纹底座。工作电压在6到30伏之间时,该灯泡设计为端接使用。

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图3(d)所示的灯泡与图3(a)中的灯泡非常相似,只是具有延伸的玻璃外壳。它配备了黄铜刺刀基座,是在东欧建造的许多显微镜中使用的常见设计。图3(e)展示了一种现代卤钨灯(有时称为石英碘灯泡)。这些灯现在是日本,美国和西欧制造的大多数显微镜的标准设备。卤钨灯具有紧凑型灯泡,与普通白炽灯相比具有许多优点,其中最引人注目的是它们的亮光,更小的尺寸,更均匀的照明,更长的灯泡寿命和更高的经济性。与钨丝白炽灯不同,卤钨灯卤素灯加入到玻璃填充物中。卤素(通常是碘)确保所有蒸发的钨返回到灯丝并不沉积在玻璃外壳上。

警告!

卤钨灯在非常高的温度下工作,如果在高温下处理,可能会导致严重的烧伤。更换这些灯泡时,请始终让其冷却至少20分钟,然后将其从灯箱中取出。避免直接握住灯泡外壳,因为信封上留下的指纹会烧伤玻璃,经常会引发灯泡过早失效。制造商将卤钨灯放入防护塑料袋中以避免处理问题。使用一把剪刀在钨钉附近切割袋子,并将灯泡插入其固定器中,同时仍留在袋子中。灯泡正确放置在灯箱内时,请取出袋子。

钨卤灯的灯丝通常是安装在硼硅酸盐卤化物玻璃(通常称为“熔凝石英”)外壳中的非常紧凑的阵列。这些灯的工作电压范围为4-24伏,额定功率为20-100瓦。它们具有非常高的灯丝工作温度,将其用于带有扇形散热片的通风良好的灯座,以消除这些灯泡产生的巨大热量。基座是一种双引脚型,钨丝引线与硼硅酸盐玻璃外壳熔合。钨卤素灯泡的照明在整个灯泡寿命期间非常均匀,可在1000-2500小时范围内使用。尽管随着灯泡开始老化,色温值有所下降,但钨卤素灯泡发出的色温范围为2700-3350 K(取决于电压)的连续光谱。

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图3(f)所示的灯是一种钨 - 卤素二向色反射器,通常用于光纤光源,如上图4所示。该反射器通过允许大部分红外辐射由这些灯泡产生的光穿过二向色反射镜壳体,同时反射较短的可见光和近紫外波长。这些灯的工作电压为6到21伏直流电,通常放置在灯箱内,用于控制工作电压以及通过散热风扇去除多余的热量。使用这些灯的照明器通常被称为“石英卤素”光纤灯座,其提供高强度照明,但具有以热量形式产生大量红外光的缺点。样本上的直接照明通常会导致样本高度吸收热量,应注意确保不会导致样本退化。图4所示的灯箱包含光纤管端部的透镜元件,可以将光聚焦到样品上。

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此外还有其他外围组件,如彩色玻璃滤光片,用于制作特殊效果照明和偏光镜,这些偏光镜附着在镜头元件上,以便利用偏振光进行照明。这些光源通常用作辅助倾斜照明,用于带复合和体视显微镜的反射光显微镜。如图5所示,专门设计的环形照明器可用于创建明亮的360°冷白色无阴影均匀强度照明。它们被设计用于直接安装到立体显微镜物镜,即使在高倍率和长工作距离(1.5到10英寸)物镜时也很有用,在重新对焦或使用变焦功能时无需光线调节。偏振单元是为环形光导制造的,因此反射回物镜的光线可以被偏振。还有玻璃和明胶滤镜套件可以与这些照明附件一起使用。


未配备内部照明源的显微镜必须使用外部光源为样品提供照明。一个典型的外部照明源如图6所示。这些照明器可能包含各种白炽钨灯,包括6-12伏直流灯以及120伏的线圈灯丝灯,其功率额定值为25-100瓦。

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图6所示的直流供电版本的外部照明源经常有一个外部电源,可将120伏的墙壁电源转换为灯所需的6-12伏直流电。这些光源通常配备漫射器以平衡光线强度以及滤光片,以帮助色彩平衡。某些型号还为偏光片提供了空间,以便可以使用外部灯进行偏光显微镜检查。灯具通常有一个“场”光圈,使显微镜专家能够调整进入显微镜的光束的直径。外部光源将光线聚焦到平台反射镜上,必须仔细调整以将光线以适当的角度反射到聚光镜中,以使进入物镜的光线在显微镜的光轴内“居中”。

弧灯 - 汞蒸气灯,氙弧灯和锆弧灯也是特殊形式显微镜照明的有用光源。这些灯由外部电源控制,设计用于满足首先点亮灯的电气要求,然后提供正确的电流以保持恒定的照明。图7中示出了几种典型的弧光灯设计。图7(a)中的灯是配备有点火器电极的汞蒸气灯,并且图7(b)中的灯是现代HBO 200瓦水银短弧灯,其由交流电流通过外部电源。这个和其他类似的弧光灯电源将提供足够的启动功率来点燃燃烧器(通过电离气态蒸气)并使其以最小的闪烁保持燃烧。

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弧光灯的平均使用寿命约为200小时,大多数外部电源都配有一个计时器,可以让显微镜员监测已经过了多长时间。 汞弧灯(通常称为“燃烧器”)的功率范围从50瓦到200瓦,通常由两个密封在高压下的电极密封在石英玻璃外壳中,该外壳还含有汞。 这些弧光灯不能提供从近紫外到红外的整个光谱范围内的均匀强度(参见图8中汞弧灯的发射光谱)。

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汞灯的大部分强度都用于近紫外线,强度峰值在313,334,365,406,435,546和578纳米处。 这些灯通常不适用于大多数形式的显微镜(除荧光显微镜外),但作为黑白显微照相的优异单色光源。 使用适当的滤光片,546纳米的绿线,435纳米的蓝线和365或406纳米的近紫外线可以在选定的波长区域产生出色的单色光。 对于明场,暗场,DIC或偏振彩色显微照相,永远不要使用水银蒸汽弧光灯,因为灯的有限发射光谱不会产生真实的样品色彩再现。

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氙弧灯在可见光谱中的强度比汞蒸气灯强得多(见图9);它们不具有汞灯特有的非常高的光谱强度峰值。氙灯缺乏紫外线;它们在红外线中的强度大部分消耗,因此使用这种灯需要注意控制热量。短间隙氙灯通常更合乎需要,因为弧的大小使得其光更容易包含在物镜的后孔内,从而避免浪费光强。


警告!

汞和氙弧灯在运行过程中需要小心,因为内部气体压力非常高,使用过程中会产生极高的热量,因此有爆炸的危险。切勿在外壳外部点燃灯泡,或在灯泡燃烧时直接观察灯泡(这可能会导致严重的眼睛损伤)。裸露的手指不应该用汞和氙灯来处理,以避免无意中蚀刻石英外壳。只有在灯泡有足够的时间冷却后才能更换灯泡。将灯存放在运输容器中以避免事故。

安装或更换汞灯或氙弧灯时,始终遵守上述安全规程。如上所述,汞弧灯具有约200小时的寿命;氙气燃烧器数百小时。频繁的开关切换会缩短灯泡的使用寿命。当燃烧器达到其额定寿命时,光谱发射可能会改变,石英外壳会减弱。


锆弧灯是显微镜照明的另一优秀来源。它们提供一个色温约为3200 K的非常小的(几乎是点光源)光束。虽然这些灯不像汞或氙弧灯那样亮,但它们确实提供了连续的光谱,适用于使用彩色胶片的显微摄影术。


激光光源 - 近年来,激光器的使用越来越多,尤其是具有488和514纳米发射能力的氩离子激光器。激光源尽管成本高,但在激光扫描共聚焦显微镜中特别有用。

有许多不同类型的激光器,每个激光器都提供独特的发射光谱。图10显示了两种最常用的激光器(荧光,共焦和单色明场)的发射光谱。

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电子闪光 - 使用电子摄影闪光系统设计了一种拍摄移动样本(特别是暗场照明)的专门方法。 这些闪光灯管在瞬间爆发时提供5500 K照明,可在高速(ISO 400及以上)日光透明胶片上使用时捕捉出色的样品细节。 这些装置必须配备持续的钨丝光源,以确保在闪光显微摄影之前对试样进行成型,克勒照明,聚焦和显微镜对准。 闪光管应该与显微镜的相机快门同步,并且许多制造商提供这种设备作为显微摄影的附件。

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查看原始的英语文章:Köhler Illumination in Transmitted Light



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