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奥林巴斯显微镜可见光的来源

2014-02-21  发布者:admin 

 可见光包括整个电磁辐射光谱的仅一小部分,但它包含的频率到人眼的杆和视锥将响应的唯一区域。 人类通常能够形象化在于在约400和700纳米的非常窄的范围内的波长。 人类可以观察和应对由可见光产生刺激,因为眼睛含有特定的神经末梢是这个频率范围内的敏感。 然而,在电磁光谱的其余部分是不可见的。

各种各样的来源是负责电磁辐射的发射,并根据由所述源产生的波长的特定光谱一般分类。 相对长的无线电波是由流经巨大广播天线的电流产生的,而更短的可见光波由原子内带负电的电子的能量状态的波动产生的。 电磁辐射,γ波,最短形式起因于在原子的中心核部件的衰变。 可见光,人类能够看到(的频谱示于图1)通常是波长的变化的组成是光源的一个函数的混合物。

在我们的日常生活中,我们是通过电磁辐射,只是其中一部分,我们都能够真正“看到”可见光的频谱巨大的轰击。 当冒险外,对可见光线对人体绝大多数是来自太阳,这也产生辐射的许多其它频率不落入可见光范围内发射。 在内部,我们接触到的可见光源于人工光源 ,主要是荧光灯和白炽灯钨丝的设备。

到了晚上,自然光由天体,如月球,行星和恒星,除了定期的北极光(北极光),以及偶尔的彗星或流星(“流星”)生产的。 其他自然光源包括气象雷电,火山爆发,森林火灾,加上可见光( 生物发光 )的一些生化的来源。 生物光源包括大家熟悉的萤火虫(“萤火虫”),并从海中更奇特的光晕,包括生物发光种类的细菌,藻类,甲藻,海蜇,梳果冻(栉水母),有些品种的鱼。

可见光的波长和颜色知觉
波长范围 
(纳米)
感知的颜色
340-400 近紫外线(UV;隐形)
400-430 紫色
430-500 蓝色
500-570 绿色
570-620 黄色至橙色
620-670 红通通
670-750 暗红色
超过750 近红外线(IR;隐形)
表1

表1包含了许多窄的波长带的,在可见光光谱感知由人的表观颜色分布的列表。 有关特定颜色的波长的区域使不同的色调,色调和阴影之间的差异。 它有可能为许多不同的光谱分布,以产生相同的颜色的感觉(这种现象称为metamers)。 例如,黄色色感可以通过光的单波长引起的,例如590纳米,或者它可以是可视光的具有独立的波长,如580和600毫微米两个相等的量的结果。 另外,也可以以查看颜色黄色为窄分布涵盖580和600纳米之间的所有波长。 与问候的人的视觉系统,相同的参数保持为在可见光谱中的所有颜色。 然而,最近的研究表明,一些物种(尤其是鸟类)的颜色可以被人类视为metamers区别对待。

白炽灯光源

早期人类是没有光的可靠来源,在漫长的夜晚,但他们偶尔会发现和灌木火灾收集燃烧的木头,然后保持在熊熊篝火为短时间的火焰。 由于知识进步了,男人发现了火花,随后起火,可以通过醒目的某些石头在一起(如燧石和黄铁矿)或积极揉木对木产生。 一旦这些技术被掌握了,每当有人需要的人可以产生火灾。

当火灾烧伤,化学能释放的热和光的形式。 燃烧的燃料,无论是草,木材,石油,或一些其它易燃材料,发光是由燃烧过程中产生的巨大的化学能加热气体,使原子在气体的辉光白热化 。 气体原子中的电子被提升到更高的能量水平的热和光被释放的光子的形式,当电子放松到其基态。 一个火焰的颜色是温度和多少能量被释放的指示。 暗黄色的火焰比一个明亮的蓝色火焰更凉爽,但即使是最酷的火焰仍然很烫(摄氏至少350度)。

虽然焦油和破布,以制造早期的火把,当油灯发明于控制火灾的第一个实际步骤发生。 早期的灯具超过15,000岁(图2)被发现,从岩石和贝壳,这烧动物脂肪和植物油制成。 前煤气照明被发明,有动物油的巨大需求。 这种油的主要来源是通过熬煮的海洋动物,如鲸鱼和海豹获得的脂肪组织产生的牛油 。 油灯最终演变成铸造硬化牛油或蜂蜡等,如图2所示形成了蜡烛。 早期的蜡烛产生相当多的烟雾,但没有太多的光。最终,人们发现,石蜡,当适当投用浸渍布灯芯,产生一个相对明亮的火焰没有显著的烟雾。

在19世纪,天然气照明全国各地的许多欧洲,亚洲和美国的主要城镇和城市中成为普遍。 早期的煤气灯由燃烧产生的气体(一个相当危险的情况下)的喷射操作,而后来的车型都装上地幔,或细网化学处理后的织物,其分散的火焰并发出更亮的光。

早期的显微镜依靠蜡烛,油灯,和自然的阳光,提供照明的相对粗糙的光学系统在他们的显微镜 这些原始的光源遭​​受闪烁,光照不均匀,眩光,而且往往是一个潜在的火灾隐患。 今天,白炽灯高强度的钨系灯是在现代显微镜中使用的初级光源和大多数家庭照明系统。

示于图3中的光谱分布曲线表明能量与波长的相对量为白光 (由包含所有可见光谱中的颜色或大部分的混合物)几个不同的来源。 红色曲线表示钨的光在整个可见光光谱的相对能量。 由于是从检查图中可以看出,钨丝灯随着波长的增加的能量。 此效果显着地影响所得到的光的平均色温,特别是当它是相对于该天然阳光和荧光灯(汞蒸气灯)的。 以黄色曲线表示的频谱配置文件从自然阳光光谱采样中午可见光分布。 在正常情况下,太阳光中包含的能量的最大量,但在图3所示的曲线都被归一化到钨频谱以缓解比较。 深蓝色的光谱曲线是汞弧灯的特性,并具有从钨和自然阳光光谱的一些显着的差异。 一些能量峰值出现在所发生的汞蒸气始发叠加个别线谱的结果的放电弧光灯光谱。

由白色发光二极管(LED)所产生的可见光光谱是由绿色曲线如图3所示。 发光二极管固有的单色器,与色由在二极管结构利用各种半导体材料之间的带隙来确定。 红色,绿色,黄色和蓝色二极管是常见的,广泛用作指示灯的电脑和其他消费电子设备,如无线电调谐器,电视接收器,光盘播放机,录像机和数字视盘播放机。 白光LED是由氮化镓蓝色二极管通过涂覆有荧光材料,当由光从蓝色二极管发射激发而发射一个广泛的可见光波长的半导体管芯制造。 激光光谱,无论是来自二极管或者气体激光,在特性上是非常窄的,往往只包括一个或几个特定的​​波长。 一个例子是对于低电流的半导体二极管激光器是用于各种应用,包括读取条形码和跟踪光盘的数据很有用示于图3(青色曲线)。

钨光源通常被称为白炽灯 ,因为它们的光辐射时,由电能加热。 现代灯泡(或灯)的长丝通常由钨,金属是在照射光时电阻由电流加热几分高效的。 现代白炽灯由汉弗莱戴维爵士发明了碳弧灯,它由2个碳杆(或灯丝电极)之间形成时的电势被放置在电极之间放电电弧产生光的后代。 最终,碳弧灯让位给该利用包含在抽成真空的玻璃外壳碳纤维的第一个灯。 钨丝,由威廉大卫柯立芝率先在1910年,蒸发要比当在一个玻璃封套的真空下加热棉衍生的碳纤维更慢。 灯丝作为一个简单的电阻器,并且发射除了由电流产生的热量的显著光量。

钨白炽灯的热辐射发光的连续光谱在约300纳米延伸,在紫外区,至约1400纳米,在近红外区域。 他们的设计,建造和操作是很简单的,并且各种各样的这些灯已用作白炽灯的光源。 典型的灯包括一个密封的玻璃外壳(参见图4),抽真空或充有惰性气体,和包含由直接或交流电供电的钨丝丝的。 该灯泡产生了大量的光与热的,但光占其总能量输出的仅5%到10%。

钨灯往往会遭受若干缺点,例如降低的强度与年龄和内部包络面的黑化作为蒸发钨缓慢地沉积到玻璃上。 的钨灯的色温和亮度与所施加的电压而变化,但对于色温范围从大约2200 K至3400的平均值K.活跃钨灯丝的表面温度是非常高的,通常平均为摄氏2550度,以提供标准100瓦商业灯泡。 在某些情况下,钨灯泡信封填充有惰性气体氪或氙气(惰性填充气体)作为替代,以保护热的钨丝产生真空。 这些气体提高白炽灯的效率,因为它们减少蒸发的钨沉积在周围的玻璃容器的内部,该金额。

卤素灯泡,白炽灯钨灯的高性能版,通常包含填充气体,它返回蒸发远远大于与其它气体制成的灯更有效钨灯丝中碘或溴的痕迹。 卤钨灯,首先由通用电气在20世纪50年代开发的用于照明的超音速喷气翅膀的技巧,能够在整个灯泡寿命产生非常均匀明亮的光线。 此外,卤素灯小得多,效率比可比强度的钨灯。 钨 - 卤素灯泡的寿命可高达10年来最理想的条件下。

的灯丝通常安装在一个硼硅卤化物玻璃(通常称为熔凝石英 ),信封很紧凑的螺旋装配。 较高的工作温度限制使用卤钨灯泡到通风良好的lamphouses与扇形散热片,以消除热量通过这些灯泡所产生的巨大数额。 许多家用灯具都配备有300-500瓦卤钨灯操作,并产生显著的光量,填补一个房间比他们弱发光钨同行好得多。 当与光纤导光管和吸收或二色性的过滤器,卤钨灯灯室为各种各样的光学显微镜应用提供高强度的照明,但作为一个主要的缺点,在辐射热的形式产生显著量的红外光,可以容易降解的标本。

荧光光源

有各种各样的被用于室内和室外照明,除了具有在光学显微镜的重要应用非白炽灯可见光光源。 大多数的这些光源是基于放电通过气体,如汞或稀有气体氖,氩和氙。 可见光在气体放电灯的产生依赖于碰撞原子和离子之间的气体与被传递的一对电极放置在灯泡封壳的端部之间的电流。

一种常见的荧光灯的玻璃管上涂布的荧光体上的玻璃的内表面上,并且所述管填充有汞蒸气在非常低的压力(参见图5)。 电流在电极之间施加在管的端部,产生从一个电极流向另一个电子流。 当从流中的电子碰撞汞原子,但它们激发的原子中的电子到更高的能态。 此能量被释放在紫外线辐射的形式时,在水银原子的电子返回到基态。 紫外线照射后激励内部磷光涂层,使其散发出明亮的白色光,我们从荧光灯观察。 荧光灯是大约两到四倍更有效于发射可见光,产生更少的浪费热,并且比白炽灯长通常持续10至20倍。

荧光光源的独特之处在于它们所产生的一系列波长的往往集中在被称为线状光谱窄波段。 其结果是,这些来源不产生照明的连续光谱是白炽光源的特性。 非白炽灯可见光的(几乎全部)单波长光源的一个很好的例子是钠蒸气灯常用的路灯照明。 这些灯发出一个非常强烈的黄光,有超过95%的589纳米的光所组成的发射,几乎没有出现在输出其他波长。 它可以设计气体放电灯,将发出一个几乎连续的频谱除了线状光谱中固有的大多数这些灯。 最常用的技术是将涂层与磷光体颗粒,其中将吸收的辐射由发光的气体放出,并转换成可见光范围从蓝色到红色的广谱管的内表面上。

在正常情况下,多数个人无法辨别的线谱和连续波长的光谱之间的差异。 然而,一些物体反射异常的颜色在光线不连续的来源,特别是在日光灯下。 这就是为什么服装,或其他深色物品,由荧光灯照明的商店购买往往会出现在自然光或连续钨丝灯照明颜色略有不同。

在反射光立体显微镜,特别是研究热敏感样品时,荧光灯的青睐,因为他们的高效率和低热量输出过钨灯。现代荧光灯可以配置为线性管或环形照明器提供的显微镜激烈,漫射光。 人工白光对手太阳光(不伴随热)色温这个来源,并消除了典型的消费级荧光灯管的闪烁特性。 相比,钨,钨 - 卤素,或弧光灯,荧光灯,灯显微镜照明器可以提供高品质的服务相对较长的时期(约7000小时)。 作为漫射光源,荧光灯产生的视图中均匀照明领域,没有恼人的热点或眩光。 较新的冷阴极照明技术有希望成为一个专门的光源,光学显微镜,特别是通过荧光激发增强的短暂事件,以及对应用中的余热,或在光源预热时间可能会与样品或干扰事件被观察到。

一个专门的方法拍摄移动的标本,在暗视野显微镜照明特别有用,一直使用电子照相闪光灯系统设计。 电子闪光单元通过电离氙气填充的玻璃外壳由一个大电容器的放电驱动进行操作。 短命的,高电压由变压器脉冲引起的氙气电离,从而使电容放电通过现在导电气体。 突然一阵耀眼的光芒发出,之后氙气迅速返回到非导电状态,电容器充电。 闪光管提供5,500 K照明在瞬间爆破,可以捕获一个显著量对象细节的摄影,数码影像,和显微摄影令人瞩目的成果。

弧光放电灯,充满了气体,如汞蒸气和氙气,所青睐的照明来源为一些特定形式的荧光显微镜。 一个典型的弧光灯比钨基对口亮10-100倍,当与特殊涂层双色干扰滤波器相结合,可提供绚丽的单色照明。 不同于钨和钨 - 卤灯,弧光灯不包含长丝,而是依赖于气态蒸汽的电离虽然两个电极之间的高能量的电弧放电产生的强烈的光。 在一般情况下,弧光灯具有大约100-200小时的平均寿命,且最外部电源都配有一个计时器,使显微镜监视多少时间已过。 汞弧灯(通常被称为燃烧器 ,参见图6中示出的汞和氙气灯)50 200瓦范围内的功率,并且通常包括下在石英玻璃外壳的高水银蒸气压密封两个电极。

汞和氙弧灯不提供甚至从近紫外到红外的整个波长光谱跨越照度。 大部分的汞弧光灯的强度被消耗在近紫外和蓝色光谱,大部分在除了在绿色光谱区几更高波长峰的300-450纳米范围内,产生的高强度的峰。 与此相反,氙弧灯有跨越可见光谱的更广泛和更均匀的强度输出,并没有表现出非常高的光谱强度的峰是汞灯特征。 氙气灯是缺乏紫外线,但是,抒发他们的强度很大比例的红外线,需要小心的控制和消除,当这些灯是采用多余的热量。

利用发光二极管作为照明的实际源的时代已经到来的二十一世纪,二极管是一个理想的补充半导体技术和光学显微镜的结合。 相对较低的功耗(1〜3伏在10至100毫安),以及发光二极管工作寿命长,使得当低到白光中等强度水平是必需这些设备完善的光源。 连接到通过通用串行总线(USB)端口,或由电池供电接口电脑显微镜,可以利用LED作为一种小型,低发热,低功耗和低成本的内部光源进行目视观测与数字图像捕捉。 几个教学和入门级显微镜研究目前使用的内部,高强度的白光发光二极管作为主光源。

虽然环氧信封光投影特性仍在探索,发光二极管,目前正在测试和销售在各种各样的应用中,如交通信号灯,标志,手电筒,和外部环式照明装置为显微镜。 由白色LED所产生的光具有与一个水银蒸气灯,它是在日光照明类的色温范围。 在图3中给出检查的白光LED的发射光谱,在460纳米的透射峰,是由于蓝色光的氮化镓半导体二极管发射的,而宽高传输范围位于550和650毫微米的由一个发射的二次光的结果之间荧光粉涂层的聚合物护套内。 波长的组合产生具有相对较高的色温,这是一个合适的波长范围内进行成像和观察在光学显微镜的“白”光。

激光光源

可见光的另一个来源正变得越来越重要在我们的日常生活是激光照射。 的缩写, 激光是一个缩写对于L的洞察力一个 mplification由S timulatedřadiation以东使命。 其中激光器的独特功能是,它们发出光的连续梁单个离散波长(或有时几个波长)的退出设备在一个单一的,一致的阶段,通常被称为相干光组成的。 光由激光器发射的光的波长依赖于从该激光晶体,二极管或气体组成的材料。 激光器产生的各种形状和大小,范围从微小的二极管激光器小到足以穿过针的眼,到填满整个建筑庞大的军事和研究级仪器。

激光器被用作在许多应用中,从光盘读取器来测量工具和手术器械的光源。 熟悉的红光氦氖(通常缩写的He-Ne)激光扫描消费者购买由照明光学条形码,但也发挥了很多激光扫描共聚焦显微镜系统中的关键作用。 激光在光学显微镜的应用也越来越重要,无论是作为唯一的光源,并与荧光灯和/或白炽灯光源组合。 尽管成本相对较高,激光器发现荧光,单色明特别广泛的应用,并在快速增长的激光扫描共聚焦,全内反射,荧光共振能量转移和多光子显微镜的领域。

氩离子激光器(图8)产生强大的光谱发射在488和514纳米,而氪气体激光器表现出在647.1和752.5纳米波长的大峰。 这两种激光器通常被用作为在激光扫描共聚焦显微镜激发源。 掺钛蓝宝石晶体锁模脉冲激光器被用作源多光子激发,由于其高峰强度,而且还具有低平均功率和短工作周期。 作为优选的光源为多光子显微镜,脉冲激光是相当昂贵和困难比在共聚焦显微镜中使用的小的,空气冷却的激光来进行操作。

较新的激光技术具有基于半导体激光二极管和单芯片上的激光器,可以降低对光源的大小和功率要求。 激光二极管,如钕:钇锂氟化物(钕:YLF)和钕:钒酸钇(的Nd:YVO 4),通常是快得多的响应比发光二极管,但也比较小,而且需要很少的功率。 使用激光在显微镜的缺点包括对光源的额外费用,以昂贵的光学器件损坏的风险,用镜头和反光镜涂料相关成本增加,破坏的标本,并在显微镜潜在的视网膜损伤,如果安全处理和操作技术都被忽略。

从这种讨论,很明显的是,虽然有多种可用的照明源的,我们一般依靠只有少数在我们的日常生活中。 在白天阳光作为我们的主要户外照明源,而我们一般依赖荧光灯和钨丝灯照明在室内,并在傍晚时分。 如上所述,三个主要来源这些照明都具有不同的特性和光谱特性,但是它们的最大强度都下降的可见光范围之内。人类的大脑会自动调整到不同的光源,和我们解释我们周围的大多数物体的颜色,当它们被照明的不同条件下观察很难改变。



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