奧林巴斯顯微鏡可見光的來源

 可見光包括整個電磁輻射光譜的僅一小部分，但它包含的頻率到人眼的桿和視錐將響應的*區(qū)域。 人類通常能夠形象化在于在約400和700納米的非常窄的范圍內(nèi)的波長。 人類可以觀察和應對由可見光產(chǎn)生刺激，因為眼睛含有特定的神經(jīng)末梢是這個頻率范圍內(nèi)的敏感。 然而，在電磁光譜的其余部分是不可見的。

各種各樣的來源是負責電磁輻射的發(fā)射，并根據(jù)由所述源產(chǎn)生的波長的特定光譜一般分類。 相對長的無線電波是由流經(jīng)巨大廣播天線的電流產(chǎn)生的，而更短的可見光波由原子內(nèi)帶負電的電子的能量狀態(tài)的波動產(chǎn)生的。 電磁輻射，γ波，*短形式起因于在原子的中心核部件的衰變。 可見光，人類能夠看到（的頻譜示于圖1）通常是波長的變化的組成是光源的一個函數(shù)的混合物。

在我們的日常生活中，我們是通過電磁輻射，只是其中一部分，我們都能夠真正“看到”可見光的頻譜巨大的轟擊。 當冒險外，對可見光線對人體絕大多數(shù)是來自太陽，這也產(chǎn)生輻射的許多其它頻率不落入可見光范圍內(nèi)發(fā)射。 在內(nèi)部，我們接觸到的可見光源于人工光源 ，主要是熒光燈和白熾燈鎢絲的設(shè)備。

到了晚上，自然光由天體，如月球，行星和恒星，除了定期的北極光（北極光），以及偶爾的彗星或流星（“流星”）生產(chǎn)的。 其他自然光源包括氣象雷電，火山爆發(fā)，森林火災，加上可見光（ 生物發(fā)光 ）的一些生化的來源。 生物光源包括大家熟悉的螢火蟲（“螢火蟲”），并從海中更奇特的光暈，包括生物發(fā)光種類的細菌，藻類，甲藻，海蜇，梳果凍（櫛水母），有些品種的魚。

表1包含了許多窄的波長帶的，在可見光光譜感知由人的表觀顏色分布的列表。 有關(guān)特定顏色的波長的區(qū)域使不同的色調(diào)，色調(diào)和陰影之間的差異。 它有可能為許多不同的光譜分布，以產(chǎn)生相同的顏色的感覺（這種現(xiàn)象稱為metamers）。 例如，黃******感可以通過光的單波長引起的，例如590納米，或者它可以是可視光的具有獨立的波長，如580和600毫微米兩個相等的量的結(jié)果。 另外，也可以以查看顏色黃色為窄分布涵蓋580和600納米之間的所有波長。 與問候的人的視覺系統(tǒng)，相同的參數(shù)保持為在可見光譜中的所有顏色。 然而，*近的研究表明，一些物種（尤其是鳥類）的顏色可以被人類視為metamers區(qū)別對待。

白熾燈光源

早期人類是沒有光的可靠來源，在漫長的夜晚，但他們偶爾會發(fā)現(xiàn)和灌木火災收集燃燒的木頭，然后保持在熊熊篝火為短時間的火焰。 由于知識進步了，男人發(fā)現(xiàn)了火花，隨后起火，可以通過醒目的某些石頭在一起（如燧石和黃鐵礦）或積極揉木對木產(chǎn)生。 一旦這些技術(shù)被掌握了，每當有人需要的人可以產(chǎn)生火災。

當火災燒傷，化學能釋放的熱和光的形式。 燃燒的燃料，無論是草，木材，石油，或一些其它易燃材料，發(fā)光是由燃燒過程中產(chǎn)生的巨大的化學能加熱氣體，使原子在氣體的輝光或白熱化 。 氣體原子中的電子被提升到更高的能量水平的熱和光被釋放的光子的形式，當電子放松到其基態(tài)。 一個火焰的顏色是溫度和多少能量被釋放的指示。 暗黃色的火焰比一個明亮的藍色火焰更涼爽，但即使是*酷的火焰仍然很燙（攝氏至少350度）。

雖然焦油和破布，以制造早期的火把，當油燈發(fā)明于控制火災的*個實際步驟發(fā)生。 早期的燈具*過15,000歲（圖2）被發(fā)現(xiàn)，從巖石和貝殼，這燒動物脂肪和植物油制成。 前煤氣照明被發(fā)明，有動物油的巨大需求。 這種油的主要來源是通過熬煮的海洋動物，如鯨魚和海豹獲得的脂肪組織產(chǎn)生的牛油 。 油燈*終演變成鑄造硬化牛油或蜂蠟等，如圖2所示形成了蠟燭。 早期的蠟燭產(chǎn)生相當多的煙霧，但沒有太多的光。*終，人們發(fā)現(xiàn)，石蠟，當適當投用浸漬布燈芯，產(chǎn)生一個相對明亮的火焰沒有顯著的煙霧。

在19世紀，天然氣照明全國各地的許多歐洲，亞洲和美國的主要城鎮(zhèn)和城市中成為普遍。 早期的煤氣燈由燃燒產(chǎn)生的氣體（一個相當危險的情況下）的噴射操作，而后來的車型都裝上地幔，或細網(wǎng)化學處理后的織物，其分散的火焰并發(fā)出更亮的光。

早期的顯微鏡依靠蠟燭，油燈，和自然的陽光，提供照明的相對粗糙的光學系統(tǒng)在他們的顯微鏡。 這些原始的光源遭受閃爍，光照不均勻，眩光，而且往往是一個潛在的火災隱患。 今天，白熾燈高強度的鎢系燈是在現(xiàn)代顯微鏡中使用的初級光源和大多數(shù)家庭照明系統(tǒng)。

示于圖3中的光譜分布曲線表明能量與波長的相對量為白光 （由包含所有可見光譜中的顏色或大部分的混合物）幾個不同的來源。 紅色曲線表示鎢的光在整個可見光光譜的相對能量。 由于是從檢查圖中可以看出，鎢絲燈隨著波長的增加的能量。 此效果顯著地影響所得到的光的平均色溫，特別是當它是相對于該天然陽光和熒光燈（汞蒸氣燈）的。 以黃色曲線表示的頻譜配置文件從自然陽光光譜采樣中午可見光分布。 在正常情況下，太陽光中包含的能量的*大量，但在圖3所示的曲線都被歸一化到鎢頻譜以緩解比較。 深藍色的光譜曲線是汞弧燈的特性，并具有從鎢和自然陽光光譜的一些顯著的差異。 一些能量峰值出現(xiàn)在所發(fā)生的汞蒸氣始發(fā)疊加個別線譜的結(jié)果的放電弧光燈光譜。

由白色發(fā)光二極管（LED）所產(chǎn)生的可見光光譜是由綠色曲線如圖3所示。 發(fā)光二極管固有的單色器，與色由在二極管結(jié)構(gòu)利用各種半導體材料之間的帶隙來確定。 紅色，綠色，黃色和藍色二極管是常見的，廣泛用作指示燈的電腦和其他消費電子設(shè)備，如無線電調(diào)諧器，電視接收器，光盤播放機，錄像機和數(shù)字視盤播放機。 白光LED是由氮化鎵藍色二極管通過涂覆有熒光材料，當由光從藍色二極管發(fā)射激發(fā)而發(fā)射一個廣泛的可見光波長的半導體管芯制造。 激光光譜，無論是來自二極管或者氣體激光，在特性上是非常窄的，往往只包括一個或幾個特定的波長。 一個例子是對于低電流的半導體二極管激光器是用于各種應用，包括讀取條形碼和跟蹤光盤的數(shù)據(jù)很有用示于圖3（青色曲線）。

鎢光源通常被稱為白熾燈 ，因為它們的光輻射時，由電能加熱。 現(xiàn)代燈泡（或燈）的長絲通常由鎢，金屬是在照射光時電阻由電流加熱幾分高效的。 現(xiàn)代白熾燈由漢弗萊戴維爵士發(fā)明了碳弧燈，它由2個碳桿（或燈絲電極）之間形成時的電勢被放置在電極之間放電電弧產(chǎn)生光的后代。 *終，碳弧燈讓位給該利用包含在抽成真空的玻璃外殼碳纖維的*個燈。 鎢絲，由威廉大衛(wèi)柯立芝率先在1910年，蒸發(fā)要比當在一個玻璃封套的真空下加熱棉衍生的碳纖維更慢。 燈絲作為一個簡單的電阻器，并且發(fā)射除了由電流產(chǎn)生的熱量的顯著光量。

鎢白熾燈的熱輻射發(fā)光的連續(xù)光譜在約300納米延伸，在紫外區(qū)，至約1400納米，在近紅外區(qū)域。 他們的設(shè)計，建造和操作是很簡單的，并且各種各樣的這些燈已用作白熾燈的光源。 典型的燈包括一個密封的玻璃外殼（參見圖4），抽真空或充有惰性氣體，和包含由直接或交流電供電的鎢絲絲的。 該燈泡產(chǎn)生了大量的光與熱的，但光占其總能量輸出的僅5％到10％。

鎢燈往往會遭受若干缺點，例如降低的強度與年齡和內(nèi)部包絡面的黑化作為蒸發(fā)鎢緩慢地沉積到玻璃上。 的鎢燈的色溫和亮度與所施加的電壓而變化，但對于色溫范圍從大約2200 K至3400的平均值K.活躍鎢燈絲的表面溫度是非常高的，通常平均為攝氏2550度，以提供標準100瓦商業(yè)燈泡。 在某些情況下，鎢燈泡信封填充有惰性氣體氪或氙氣（惰性填充氣體）作為替代，以保護熱的鎢絲產(chǎn)生真空。 這些氣體提高白熾燈的效率，因為它們減少蒸發(fā)的鎢沉積在周圍的玻璃容器的內(nèi)部，該金額。

鹵素燈泡，白熾燈鎢燈的高性能版，通常包含填充氣體，它返回蒸發(fā)遠遠大于與其它氣體制成的燈更有效鎢燈絲中碘或溴的痕跡。 鹵鎢燈，首先由通用電氣在20世紀50年代開發(fā)的用于照明的*音速噴氣翅膀的技巧，能夠在整個燈泡壽命產(chǎn)生非常均勻明亮的光線。 此外，鹵素燈小得多，效率比可比強度的鎢燈。 鎢 - 鹵素燈泡的壽命可高達10年來*理想的條件下。

鹵鎢燈的燈絲通常安裝在一個硼硅鹵化物玻璃（通常稱為熔凝石英 ），信封很緊湊的螺旋裝配。 較高的工作溫度限制使用鹵鎢燈泡到通風良好的lamphouses與扇形散熱片，以消除熱量通過這些燈泡所產(chǎn)生的巨大數(shù)額。 許多家用燈具都配備有300-500瓦鹵鎢燈操作，并產(chǎn)生顯著的光量，填補一個房間比他們?nèi)醢l(fā)光鎢同行好得多。 當與光纖導光管和吸收或二色性的過濾器，鹵鎢燈燈室為各種各樣的光學顯微鏡應用提供高強度的照明，但作為一個主要的缺點，在輻射熱的形式產(chǎn)生顯著量的紅外光，可以容易降解的標本。

熒光光源

有各種各樣的被用于室內(nèi)和室外照明，除了具有在光學顯微鏡的重要應用非白熾燈可見光光源。 大多數(shù)的這些光源是基于放電通過氣體，如汞或稀有氣體氖，氬和氙。 可見光在氣體放電燈的產(chǎn)生依賴于碰撞原子和離子之間的氣體與被傳遞的一對電極放置在燈泡封殼的端部之間的電流。

一種常見的熒光燈的玻璃管上涂布的熒光體上的玻璃的內(nèi)表面上，并且所述管填充有汞蒸氣在非常低的壓力（參見圖5）。 電流在電極之間施加在管的端部，產(chǎn)生從一個電極流向另一個電子流。 當從流中的電子碰撞汞原子，但它們激發(fā)的原子中的電子到更高的能態(tài)。 此能量被釋放在紫外線輻射的形式時，在水銀原子的電子返回到基態(tài)。 紫外線照射后激勵內(nèi)部磷光涂層，使其散發(fā)出明亮的白色光，我們從熒光燈觀察。 熒光燈是大約兩到四倍更有效于發(fā)射可見光，產(chǎn)生更少的浪費熱，并且比白熾燈長通常持續(xù)10至20倍。

熒光光源的**之處在于它們所產(chǎn)生的一系列波長的往往集中在被稱為線狀光譜窄波段。 其結(jié)果是，這些來源不產(chǎn)生照明的連續(xù)光譜是白熾光源的特性。 非白熾燈可見光的（幾乎全部）單波長光源的一個很好的例子是鈉蒸氣燈常用的路燈照明。 這些燈發(fā)出一個非常強烈的黃光，有*過95％的589納米的光所組成的發(fā)射，幾乎沒有出現(xiàn)在輸出其他波長。 它可以設(shè)計氣體放電燈，將發(fā)出一個幾乎連續(xù)的頻譜除了線狀光譜中固有的大多數(shù)這些燈。 *常用的技術(shù)是將涂層與磷光體顆粒，其中將吸收的輻射由發(fā)光的氣體放出，并轉(zhuǎn)換成可見光范圍從藍色到紅色的廣譜管的內(nèi)表面上。

在正常情況下，多數(shù)個人無法辨別的線譜和連續(xù)波長的光譜之間的差異。 然而，一些物體反射異常的顏色在光線不連續(xù)的來源，特別是在日光燈下。 這就是為什么服裝，或其他深色物品，由熒光燈照明的商店購買往往會出現(xiàn)在自然光或連續(xù)鎢絲燈照明顏色略有不同。

在反射光立體顯微鏡，特別是研究熱敏感樣品時，熒光燈的青睞，因為他們的高效率和低熱量輸出過鎢燈。現(xiàn)代熒光燈可以配置為線性管或環(huán)形照明器提供的顯微鏡激烈，漫射光。 人工白光對手太陽光（不伴隨熱）色溫這個來源，并消除了典型的消費級熒光燈管的閃爍特性。 相比，鎢，鎢 - 鹵素，或弧光燈，熒光燈，燈顯微鏡照明器可以提供高品質(zhì)的服務相對較長的時期（約7000小時）。 作為漫射光源，熒光燈產(chǎn)生的視圖中均勻照明領(lǐng)域，沒有惱人的熱點或眩光。 較新的冷陰極照明技術(shù)有希望成為一個專門的光源，光學顯微鏡，特別是通過熒光激發(fā)增強的短暫事件，以及對應用中的余熱，或在光源預熱時間可能會與樣品或干擾事件被觀察到。

一個專門的方法拍攝移動的標本，在暗視野顯微鏡照明特別有用，一直使用電子照相閃光燈系統(tǒng)設(shè)計。 電子閃光單元通過電離氙氣填充的玻璃外殼由一個大電容器的放電驅(qū)動進行操作。 短命的，高電壓由變壓器脈沖引起的氙氣電離，從而使電容放電通過現(xiàn)在導電氣體。 突然一陣耀眼的光芒發(fā)出，之后氙氣迅速返回到非導電狀態(tài)，電容器充電。 閃光管提供5,500 K照明在瞬間爆破，可以捕獲一個顯著量對象細節(jié)的攝影，數(shù)碼影像，和顯微攝影令人矚目的成果。

弧光放電燈，充滿了氣體，如汞蒸氣和氙氣，所青睞的照明來源為一些特定形式的熒光顯微鏡。 一個典型的弧光燈比鎢基對口亮10-100倍，當與特殊涂層雙色干擾濾波器相結(jié)合，可提供絢麗的單色照明。 不同于鎢和鎢 - 鹵燈，弧光燈不包含長絲，而是依賴于氣態(tài)蒸汽的電離雖然兩個電極之間的高能量的電弧放電產(chǎn)生的強烈的光。 在一般情況下，弧光燈具有大約100-200小時的平均壽命，且*外部電源都配有一個計時器，使顯微鏡監(jiān)視多少時間已過。 汞弧燈（通常被稱為燃燒器 ，參見圖6中示出的汞和氙氣燈）50 200瓦范圍內(nèi)的功率，并且通常包括下在石英玻璃外殼的高水銀蒸氣壓密封兩個電極。

汞和氙弧燈不提供甚至從近紫外到紅外的整個波長光譜跨越照度。 大部分的汞弧光燈的強度被消耗在近紫外和藍色光譜，大部分在除了在綠色光譜區(qū)幾更高波長峰的300-450納米范圍內(nèi)，產(chǎn)生的高強度的峰。 與此相反，氙弧燈有跨越可見光譜的更廣泛和更均勻的強度輸出，并沒有表現(xiàn)出非常高的光譜強度的峰是汞燈特征。 氙氣燈是缺乏紫外線，但是，抒發(fā)他們的強度很大比例的紅外線，需要小心的控制和消除，當這些燈是采用多余的熱量。

利用發(fā)光二極管作為照明的實際源的時代已經(jīng)到來的二十一世紀，二極管是一個理想的補充半導體技術(shù)和光學顯微鏡的結(jié)合。 相對較低的功耗（1?3伏在10至100毫安），以及發(fā)光二極管工作壽命長，使得當?shù)偷桨坠庵械葟姸人绞潜匦柽@些設(shè)備完善的光源。 連接到通過通用串行總線（USB）端口，或由電池供電接口電腦顯微鏡，可以利用LED作為一種小型，低發(fā)熱，低功耗和低成本的內(nèi)部光源進行目視觀測與數(shù)字圖像捕捉。 幾個教學和入門級顯微鏡研究目前使用的內(nèi)部，高強度的白光發(fā)光二極管作為主光源。

雖然環(huán)氧信封光投影特性仍在探索，發(fā)光二極管，目前正在測試和銷售在各種各樣的應用中，如交通信號燈，標志，手電筒，和外部環(huán)式照明裝置為顯微鏡。 由白色LED所產(chǎn)生的光具有與一個水銀蒸氣燈，它是在日光照明類的色溫范圍。 在圖3中給出檢查的白光LED的發(fā)射光譜，在460納米的透射峰，是由于藍色光的氮化鎵半導體二極管發(fā)射的，而寬高傳輸范圍位于550和650毫微米的由一個發(fā)射的二次光的結(jié)果之間熒光粉涂層的聚合物護套內(nèi)。 波長的組合產(chǎn)生具有相對較高的色溫，這是一個合適的波長范圍內(nèi)進行成像和觀察在光學顯微鏡的“白”光。

激光光源

可見光的另一個來源正變得越來越重要在我們的日常生活是激光照射。 的縮寫， 激光是一個縮寫對于L的洞察力一個 mplification由S timulated?adiation以東使命。 其中激光器的**功能是，它們發(fā)出光的連續(xù)梁單個離散波長（或有時幾個波長）的退出設(shè)備在一個單一的，一致的階段，通常被稱為相干光組成的。 光由激光器發(fā)射的光的波長依賴于從該激光晶體，二極管或氣體組成的材料。 激光器產(chǎn)生的各種形狀和大小，范圍從微小的二極管激光器小到足以穿過針的眼，到填滿整個建筑龐大的軍事和研究級儀器。

激光器被用作在許多應用中，從光盤讀取器來測量工具和手術(shù)器械的光源。 熟悉的紅光氦氖（通?？s寫的He-Ne）激光掃描消費者購買由照明光學條形碼，但也發(fā)揮了很多激光掃描共聚焦顯微鏡系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用。 激光在光學顯微鏡的應用也越來越重要，無論是作為*的光源，并與熒光燈和/或白熾燈光源組合。 盡管成本相對較高，激光器發(fā)現(xiàn)熒光，單色明特別廣泛的應用，并在快速增長的激光掃描共聚焦，全內(nèi)反射，熒光共振能量轉(zhuǎn)移和多光子顯微鏡的領(lǐng)域。

氬離子激光器（圖8）產(chǎn)生**的光譜發(fā)射在488和514納米，而氪氣體激光器表現(xiàn)出在647.1和752.5納米波長的大峰。 這兩種激光器通常被用作為在激光掃描共聚焦顯微鏡激發(fā)源。 摻鈦藍寶石晶體鎖模脈沖激光器被用作源多光子激發(fā)，由于其高峰強度，而且還具有低平均功率和短工作周期。 作為優(yōu)選的光源為多光子顯微鏡，脈沖激光是相當昂貴和困難比在共聚焦顯微鏡中使用的小的，空氣冷卻的激光來進行操作。

較新的激光技術(shù)具有基于半導體激光二極管和單芯片上的激光器，可以降低對光源的大小和功率要求。 激光二極管，如釹：釔鋰氟化物（釹：YLF）和釹：釩酸釔（的Nd：YVO 4），通常是快得多的響應比發(fā)光二極管，但也比較小，而且需要很少的功率。 使用激光在顯微鏡的缺點包括對光源的額外費用，以昂貴的光學器件損壞的風險，用鏡頭和反光鏡涂料相關(guān)成本增加，破壞的標本，并在顯微鏡潛在的視網(wǎng)膜損傷，如果安全處理和操作技術(shù)都被忽略。

從這種討論，很明顯的是，雖然有多種可用的照明源的，我們一般依靠只有少數(shù)在我們的日常生活中。 在白天陽光作為我們的主要戶外照明源，而我們一般依賴熒光燈和鎢絲燈照明在室內(nèi)，并在傍晚時分。 如上所述，三個主要來源這些照明都具有不同的特性和光譜特性，但是它們的*大強度都下降的可見光范圍之內(nèi)。人類的大腦會自動調(diào)整到不同的光源，和我們解釋我們周圍的大多數(shù)物體的顏色，當它們被照明的不同條件下觀察很難改變。