显微镜光源的历史演变

2022-07-26 14:53:06 admin 2

早期的显微镜学家依靠油灯和自然阳光为其原始(但通常非常准确)显微镜提供外部照明源。他们经常采用相当巧妙的收集光线的方法,例如从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,并且场照明区域经常大大超过物镜的数值孔径,导致眩光和泛光。

现代显微镜通常有一个整体的光源,可以控制到相对较高的程度。当今显微镜*常见的光源是位于反射外壳中的白炽卤钨灯泡,该外壳将光线通过聚光镜投射到台下聚光镜中。灯电压通过通常集成在显微镜支架中的可变变阻器进行控制。典型的照明灯和外壳如图 1 所示。灯泡是一种卤钨灯,在 12 伏直流 (DC) 电压下工作,可产生高达 100 瓦的照明功率。灯电压由通常内置在显微镜外壳中的直流电源控制,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,并且外壳设有几层散热片以帮助散发多余的热量。灯的位置由照明器外壳侧面的一系列旋钮控制,或者专门为外壳预先居中。来自灯箱的光通过聚光镜(图 1)直接进入显微镜底座,然后经常通过烧结玻璃扩散器,然后聚焦在聚光镜的孔径光阑上。

白炽灯- 白炽钨灯是现代显微镜中使用的主要照明源,但用于荧光显微镜研究的除外。这些灯是热辐射器,发出从大约 300 纳米到 1200-1400 纳米以上的连续光谱,大部分波长强度集中在 600-1200 纳米区域,如图 2 所示。它们的设计、结构,并且操作很简单,由一个充满惰性气体的封闭玻璃灯泡组成,并包含一个由直流电流供电的钨丝灯丝。灯泡产生大量的热量和光,但光仅占其能量输出的 5% 到 10%。钨灯(但不是卤钨灯)在操作上与普通家用灯泡相似,并且同样倾向于遭受一些缺点,例如随着时间的推移强度降低以及随着蒸发的钨缓慢沉积而使内壳变黑。这些灯的色温和亮度随施加的电压而变化,但平均值范围约为 2200 K 至 3400 K。当这些灯用于彩色胶片显微摄影时,显微镜工作者必须使用产生与色温匹配的灯电压胶片乳剂的色温,通常介于 3150 K 和 3250 K 之间。通常,必须通过在光路中插入滤光片来微调显微摄影的色温,以平衡胶片乳剂色温的照明。

灯丝对准

探索如何对齐灯丝以实现科勒照明。

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钨灯的设计差异很大,制造商提供的各种型号具有各种外壳形状、安装夹具和灯丝排列。光学显微镜中使用的典型钨灯选择如图 3 所示。图 3(a) 中的灯泡是一个 6-12 伏的方形钨丝,带有青铜卡口底座,设计用于与圆柱形末端一起使用灯泡面向收集器透镜。图 3(b) 所示的圆形包络灯泡也有一个青铜卡口底座,但这种功率较小的 6 伏灯泡可以放置在侧面或端上投射光。图 3(c) 中的灯泡也具有圆形外壳,但配备了 Edison 螺纹底座。该灯泡的工作电压在 6 到 30 伏之间,设计为端接使用。

图 3(d) 中所示的灯泡与图 3(a) 中的灯泡非常相似,只是有一个扩展的玻璃外壳。它配备黄铜卡口底座,是东欧制造的许多显微镜中使用的常见设计。现代卤钨灯(有时称为石英碘灯泡)如图 3(e) 所示。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,*显着的是其明亮的光、更小的尺寸、照明均匀性、更长的灯泡寿命和更高的经济性。与钨丝白炽灯不同,卤钨灯在填充玻璃中添加了卤素。

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。更换这些灯时,请务必让它们冷却至少 20 分钟,然后再将它们从灯箱中取出。避免直接拿灯泡外壳,因为留在外壳上的指纹会烧到玻璃上,通常会导致灯泡过早失效。制造商将卤钨灯包装在保护性塑料袋中,以避免处理问题。用一把剪刀剪断钨针附近的袋子,然后将灯插入其支架中,同时它仍然留在袋子中。当灯正确放置在灯箱中时,取出袋子。

卤钨灯的灯丝通常是非常紧凑的阵列,安装在硼硅酸盐卤化物玻璃(通常称为“熔融石英”)外壳中。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,将它们的使用限制在具有扇形散热器的通风良好的灯箱中,以消除这些灯泡产生的大量热量。底座为双针式,钨引线熔接到硼硅酸盐玻璃外壳上。卤钨灯泡的照明在整个灯泡寿命(范围为 1000-2500 小时)内非常均匀。卤钨灯泡发出连续光谱的光,色温范围为 2700-3350 K(取决于电压),

图 3(f) 中所示的灯是一种卤钨二向色反射器,通常用于光纤光源,如图 4 所示。反射器通过允许大部分红外辐射来帮助引导光线这些灯泡产生的光通过分色镜反射器外壳,同时反射较短的可见光和近紫外光波长。这些灯在 6 至 21 伏直流电压下工作,通常放置在灯箱中,用于控制工作电压以及通过冷却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”光纤灯箱,可提供高强度照明,但缺点是会以热量的形式产生大量红外光。样品上的直接照明通常会导致样品高度吸收热量,应注意确保这不会导致降解。图 4 中所示的灯箱包含位于光纤管末端的透镜元件,可将光聚焦到样品上。

还提供其他外围组件,例如用于产生特殊效果照明的彩色玻璃滤光片和连接到镜头元件以允许使用偏振光照明的偏振器。这些光源通常用作复合和立体显微镜的反射光显微镜的辅助倾斜照明。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、无阴影均匀强度照明。它们设计用于直接安装到立体显微镜物镜上,即使在重新聚焦或使用变焦功能时无需调整光量的高放大倍率和长工作距离(1.5 至 10 英寸)物镜也很有用。偏振单元是为环形光导制造的,因此反射回物镜的光可以被偏振。还有可与这些照明附件一起使用的玻璃和明胶过滤器套件。

没有配备内部照明源的显微镜必须借助外部光源为样品提供照明。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丝灯,包括 6-12 伏直流灯和 120 伏线圈灯丝灯,额定功率为 25-100 瓦。

图 6 中描绘的外部照明源的直流供电版本通常具有一个外部电源,可将 120 伏墙壁电源转换为灯所需的 6-12 伏直流电。这些光源通常还配备有扩散器以平衡光强度以及过滤器以帮助色彩平衡。一些型号还为偏光器提供空间,以便可以使用外部灯进行偏光显微镜检查。灯通常有一个“场”光阑,允许显微镜师调整进入显微镜的光束的直径。外部光源将光线聚焦到必须仔细调整的台下镜上,以便以适当的角度将光线反射到聚光镜中,从而使进入物镜的光线“居中”

场膜片

了解视场光阑如何控制进入显微镜的光量。

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弧光灯——汞蒸气、氙气和锆弧灯也是特殊形式显微镜的有用照明源。这些灯由外部电源控制,旨在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照明。几种典型的弧光灯设计如图 7 所示。图 7(a) 中的灯是配备点火电极的汞蒸气灯,图 7(b) 中的灯是现代HBO200 瓦汞短弧灯,通过外部电源以交流电供电。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(通过气态蒸汽的电离)并保持燃烧并保持*小的闪烁。

弧光灯的平均寿命约为 200 小时,并且大多数外部电源都配备了一个计时器,让显微镜专家能够监控已经过去了多少时间。汞弧灯(通常称为“燃烧器”)的功率范围从 50 瓦到 200 瓦不等,通常由两个电极组成,两个电极在高压下密封在石英玻璃外壳中,该外壳也含有汞。这些弧光灯在从近紫外到红外的光谱范围内不能提供均匀的强度(汞弧灯的发射光谱见图 8)。

汞弧灯的大部分强度都消耗在近紫外线中,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荧光显微镜除外),但可用作黑白显微摄影的出色单色光源。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范围内产生*秀单色光。汞蒸气弧光灯决不能用于明场、暗场、DIC 或偏振彩色显微摄影,因为灯的有限发射光谱不会产生样品的真实颜色再现。

氙弧灯在可见光谱范围内的强度比汞蒸气灯更均匀(见图 9);它们没有汞灯特有的非常高的光谱强度峰值。氙气灯缺乏紫外线;它们在红外线中消耗了大部分强度,因此使用这种灯需要小心控制热量。短间隙氙灯燃烧器通常更受欢迎,因为电弧的大小使得其光可以更容易地包含在物镜的后孔径内,从而避免光强度的浪费。

警告!
汞灯和氙弧灯在操作过程中需要小心,因为在使用过程中会产生非常高的内部气体压力和极热,因此存在爆炸的危险。切勿在灯罩外点燃灯或在灯燃烧时直接观察灯(这会导致严重的眼睛损伤)。水银灯和氙气灯均不得用裸手指处理,以免无意腐蚀石英外壳。只有在灯泡有足够的时间冷却后才能更换灯泡。将灯具存放在运输容器中,以免发生事故。

安装或更换汞灯或氙弧灯时,请始终遵守上面列出的安全程序。如上所述,汞弧灯的寿命约为 200 小时;氙灯燃烧数百小时。频繁的开关切换会缩短灯泡寿命。当燃烧器达到其额定寿命时,光谱发射可能会发生变化,并且石英外壳会变弱。

锆弧光灯是显微镜照明的另一个极好的来源。它们提供非常小的(几乎是点光源)光束,色温约为 3200 K。虽然这些灯发出的光不如汞灯或氙弧灯那么亮,但它们确实提供了连续光谱适用于使用彩色胶片的显微摄影。

激光光源- 近年来,激光的使用越来越多,特别是在 488 和 514 纳米具有强大发射能力的氩离子激光。尽管成本很高,但激光源在激光扫描共聚焦显微镜中变得特别有用。

激光光源

探索红宝石激光器如何被氙气闪光管激发以产生相干红光。

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有许多不同类型的激光器,每种激光器都提供独特的发射光谱。图 10 显示了显微镜中*常用的两种激光器(荧光、共焦和单色明场)的发射光谱。

电子闪光灯- 使用电子摄影闪光灯系统设计了一种专门用于拍摄移动样本(尤其是在暗场照明中)的方法。这些闪光灯管提供 5500 K 的瞬时闪光照明,当与高速(ISO 400 及以上)日光透明胶片一起使用时,可以捕捉到*秀标本细节。这些装置必须伴随着连续的钨灯照明源,以确保在闪光显微摄影之前对样品进行取景、科勒照明、聚焦和对准显微镜。闪光灯管应与显微镜的相机快门同步,许多制造商提供此设备作为显微摄影的附件。