显微镜照明的各种光源

在显微镜的照明方式上是有很多种的，不管是透视，反射，透反射，暗场，明场，都有自己合适的照明方式。

早期的显微镜学家依靠油灯和自然阳光为他们原始的（但通常非常精确的）显微镜提供外部照明源。 他们经常采用相当巧妙的方法来收集光线，例如从一个大的白色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，并且场照明的面积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集成的光源，可以控制到一个相对较高的程度。 今天的显微镜最常见的光源是一个白炽灯卤钨灯泡定位在一个反射外壳，项目通过收集透镜的光，并进入substage聚光灯。 灯电压通过可变变阻器控制，可变变阻器通常集成在显微镜支架中。典型的照明灯和外壳如图1所示。 灯泡是一种钨卤灯，工作在12伏的直流（DC）电压下，产生高达100瓦的照明功率。 灯泡电压由直流电源控制，直流电源通常内置于显微镜外壳中，电压控制旋钮通常是安装在显微镜支架上的电位计。这些灯泡在工作期间会产生大量热量，外壳配有多层散热器，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，或者专门针对外壳预先定心。 光从灯箱是直接进入显微镜基地通过一个收集器透镜（图1），然后经常通过烧结玻璃扩散前被集中在孔径光阑的聚光灯。

白炽灯-白炽钨灯是现代显微镜中使用的主要照明光源，但用于荧光显微镜研究的光源除外。 这些灯是热辐射器，其发射从约300纳米延伸到1200-1400纳米的连续光谱，其中大部分波长强度集中在600-1200纳米区域中，如图2所示。 它们的设计、构造和操作很简单，由一个充满惰性气体的封闭玻璃灯泡和一根由直流电流供电的钨丝灯丝组成。 灯泡产生大量的热量和光，但光只占其能量输出的5%到10%。 钨丝灯（但不是钨-卤素灯）在操作上类似于普通家用灯泡，并且同样倾向于遭受几个缺点，例如随着年龄的增长强度降低以及由于蒸发的钨缓慢沉积而使内部外壳变黑。 这些灯的色温和亮度随所施加的电压而变化，但平均值在约2200 K至3400 K的范围内。当这些灯用于彩色胶片的显微摄影时，显微镜工作者必须使用产生与胶片乳剂相匹配的色温的灯电压，通常在3150 K和3250 K之间。通常，色温必须通过在光路中插入滤光片进行微调，以平衡胶片乳剂的色温照明。

钨丝灯在设计上有很大的不同，制造商提供的各种型号具有各种各样的外壳形状，安装固定装置和灯丝排列。 一个典型的选择钨灯用于光学显微镜是说明图3。 图3（a）中的灯泡是一个6-12伏方形钨丝，带有青铜卡口底座，设计用于圆柱形灯泡的端部面向集光透镜。 图3（b）所示的圆形外壳灯泡也有一个青铜卡口底座，但这种功率较低的6伏灯泡可以放置在侧面或端面上投射光线。图3（c）所示的灯泡也有一个圆形外壳，但配备了爱迪生螺纹底座。 该灯泡的工作电压在6伏到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，除了具有扩展的玻璃外壳。 它配备了黄铜卡口底座，是东欧制造的许多显微镜中使用的常见设计。图3（e）中显示了现代卤钨灯（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。 卤钨灯具有紧凑的灯泡，与普通白炽灯相比具有许多优点，最显着的是其明亮的光线，更小的尺寸，照明均匀性，更长的灯寿命和更大的经济性。 与钨丝白炽灯不同，卤钨灯的填充玻璃中加入了卤素。卤素（通常是碘）确保所有蒸发的钨返回到灯丝，而不是沉积在玻壳上。

卤钨灯的灯丝通常是安装在硼硅酸盐卤化物玻璃（通常称为“熔融石英”）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，限制了它们在通风良好的灯具中的使用，这些灯具具有扇形散热器，以消除这些灯泡产生的大量热量。 该基地是一个两针的风格与钨引线融合到硼硅酸盐玻璃信封。卤钨灯泡的照明在灯泡寿命期间非常均匀，可以从1000-2500小时不等。 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），尽管随着灯泡开始老化，色温值会有所下降。

图3（f）中所示的灯是一种钨卤素二向色反射器，通常用于光纤光源，如图4中所示。 反射器通过允许由这些灯泡产生的大部分红外辐射穿过分色镜反射器壳体而有助于引导光，同时反射较短的可见光和近紫外波长。 这些灯在6至21伏直流电下工作，通常放置在灯箱中，该灯箱提供对工作电压的控制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”光纤灯罩，其提供高强度照明，但具有以热的形式产生大量红外光的缺点。 直接照射在样品上通常会导致样品高度吸热，应注意确保这不会导致降解。图4所示的灯箱包含光纤管端部的透镜元件，使光线聚焦到样品上。

也可提供其他外围组件，如彩色玻璃过滤器，以产生特殊效果的照明和偏振器，附着到透镜元件，以允许照明偏振光。 这些光源通常用作辅助斜照明反射光显微镜与复合和立体显微镜。 如图5所示，特殊设计的环形照明器可用于创建明亮、360°冷白色、无阴影的均匀强度照明。 它们被设计为直接安装到体视显微镜物镜上，即使在高放大倍率和长工作距离（1.5至10英寸）物镜上也很有用，在重新聚焦或使用变焦功能时无需调光。 为环形光导制造偏振单元，使得反射回物镜的光可以被偏振。也有玻璃和明胶过滤器套件，可以与这些照明附件一起使用。

未配备内部光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。这些照明器可以包含各种白炽钨灯，包括6—12伏DC灯以及120伏线圈灯丝灯，其具有25—100瓦的额定功率。

图6所示的外部照明源的直流供电版本通常具有外部电源，该外部电源将120伏墙壁电源转换为灯所需的必要的6-12伏DC。 这些光源通常还配备有漫射器以均匀光线强度，以及过滤器以帮助色彩平衡。有些型号还提供了偏光镜的空间，以便偏振光显微镜可以与外部灯进行。 灯通常有一个“场”光阑，允许显微镜调整进入显微镜的光束直径。 外部光源将光聚焦到一个载物台镜上，该镜必须仔细调整以将光以适当的角度反射到聚光镜中，以使进入物镜的光在显微镜的光轴内“居中”。

弧光灯-汞蒸气，氙气和锆弧光灯也是用于特殊形式显微镜的有用照明源。 这些灯由外部电源控制，这些电源设计为满足首先点燃灯的电气要求，然后提供正确的电流以保持恒定的照明。几种典型的弧光灯设计如图7所示。 图7（a）中的灯是配备有点火器电极的汞蒸气灯，图7（B）中的灯是通过外部电源用交流电供电的现代HBO200瓦汞短弧灯。这种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（通过气体蒸气的电离），并保持燃烧器以最小的闪烁燃烧。

弧光灯的平均寿命约为200小时，大多数外部电源都配有计时器，允许显微镜工作者监测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，通常由两个电极组成，在高压下密封在石英玻璃外壳中，该外壳也含有汞。 这些弧光灯不能在近紫外到红外的光谱范围内提供均匀的强度（汞弧光灯的发射光谱见图8）。

汞弧灯的大部分强度在近紫外线中消耗，强度峰值在313、334、365、406、435、546和578纳米。这些灯一般不适用于大多数形式的显微镜（荧光显微镜除外），但作为优秀的单色光源的黑色和白色显微摄影。 使用适当的滤光器，546纳米处的绿色线、435纳米处的蓝线以及365或406纳米处的近紫外线可以在选定的波长区域中产生优异的单色光。 汞蒸气弧光灯不应用于明场、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彩色再现。

氙弧灯在整个可见光谱中的强度比汞蒸气灯均匀得多（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；它们在红外线上花费了很大比例的强度，因此使用这种灯需要小心控制热量。 短间隙氙燃烧器通常更理想，因为电弧的大小使得其光可以更容易地包括在物镜的后孔径内，从而避免光强度的浪费。

安装或更换水银或氙弧灯时，请始终遵守上述安全程序。如上所述，汞弧灯的寿命约为200小时;氙气灯的寿命为数百小时。频繁的开关会缩短灯的寿命。当燃烧器达到其额定寿命时，光谱发射可能改变，石英外壳变弱。

锆弧灯是另一个优秀的显微镜照明源。它们提供了一个非常小的（几乎是一个点源）光束，其色温约为3200 K。虽然这些灯不像汞或氙弧灯那样发出明亮的光，但它们确实提供了适合使用彩色胶片进行显微摄影的连续光谱。

激光光源—近年来，激光器的使用越来越多，特别是在488和514纳米具有强大发射能力的氩离子激光器。激光源，尽管成本高，已成为特别有用的激光扫描共聚焦显微镜。

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显示了显微镜中最常用的两种激光器的发射光谱（荧光、共焦和单色明场）。

电子闪光灯-一种专门的方法，用于拍摄移动标本（特别是在暗场照明）已被设计使用电子摄影闪光系统。 这些闪光灯管提供5500 K的照明在瞬间爆发，可以捕捉伟大的标本细节时，高速（ISO 400及以上）日光透明胶片使用。 这些装置必须配有连续的钨光源，以确保在闪光显微摄影之前对样品进行取景、科勒照明、聚焦和显微镜对准。 闪光管应与显微镜的照相机快门同步，许多制造商提供这种设备作为显微摄影的配件。