当前课程知识点：光电仪器设计 > 第6章 显微镜 > 6.6 光源和滤波片、照明方式 > 6.6 光源和滤波片、照明方式
大家好
上节课我们介绍了显微镜的成像核心的部件
也就是物镜和目镜
今天我们一起来学习一下显微镜的照明
照明的目的是根据样品的特点
去选择合适的方式
产生明暗对比或者是颜色对比
方便观察样品表面的细节
如果照明的方式选择不当
同样是无法得到清晰的像的
广义上来说呢
前面课上提到的明场
暗场
荧光
差分干涉
相衬
甚至是我们超分辨等成像的方式
都是通过不同的照明方式来实现的
不过狭义上我们把差分干涉
相衬和超分辨
这些方法归结为成像原理
本身有新的突破
而不仅仅是照明方法有所改良
所以在这节课上
我们只关注常规的明场
和荧光照明的原理和设计方法
并且简单地介绍一下暗场的实现方法
照明系统一般由光源
滤光片
照明光路这些部分组成
我们会从波长
相干性
均匀性
亮度
稳定性等方面来考察照明的性能
下面将逐一进行介绍
照明光的波长
或者说它的光谱分布
直观上来讲就是照明光的颜色
如果要是不考虑像相衬
差分干涉等等
这些对相干性有所要求的成像方式
常规明场几何成像
一般会要求光源在整个可见光区
都具有宽阔而比较平坦的光谱分布
这样对于不同颜色不同吸收率的样品
都能够有良好的照明效果
照明的光谱直接就由光源所决定了
如果我们配合上滤光片
能够对光谱进行筛选
但是却没有办法超出光源的光谱范围
我们来看一下
这一张是显微镜常用的光源的光谱分布图
最常用而且成本较低的照明光源是卤钨灯
简单地来说就是填充了卤族气体
用于延长灯丝寿命的白炽灯
大家看到这一条是卤钨灯的谱线
由于这一类光源都是热致发光
它的优点是从红外一直到紫外
光谱非常的连续而且平坦
是非常良好的白光光源
由于它在长波部分
也就是偏红外部分能量会更高一些
所以相对来说它的色温比较低
眼睛看上去的感觉
会觉得这样的光源发出来的光偏黄
不过卤钨灯与所有白炽灯一样
它的缺点就是发热量极大
接下来我们看到这两条光谱
在紫外和可见光区都有非常明显的峰
而且这两条光谱线位置的重合度较高
它们对应的分别是
水银弧光灯和金属卤化物的光源
这两种光源经常用于荧光显微镜中
用于激发荧光
最下面这条最平坦的光谱是氙灯的光谱
氙灯也是一种白光的光源
而且它的光谱分布与日光非常的接近
因此它的照明效果与自然光是最接近的
它的色温会比卤钨灯要高一些
目视会感觉颜色偏白
除了上述经典的几种光源以外
近年来随着光伏产业的发展
LED照明逐渐也进入了传统的照明领域
LED这三个字母
是发光二极管的英文缩写
这种光源具有体积小巧
能耗低
坚固耐用
寿命长
热量少
环境污染少
成本低
易集成等等诸多的优点
这也是为什么
我们在日常生活中就能够感觉到
照明的光源很快地就从原来的白炽灯
变成了节能灯
然后现在进一步地变成了LED
最初的LED光源呢
只有红色和绿色等等
非常有限的颜色
之后在蓝色
白色LED成功被研制之后
在许多专业的领域
LED照明几乎已经取代了传统的光源
这一张是几种LED的光谱分布
我们看到它的峰值从红色
到紫色 到紫外都有
与前面给出来的光源光谱不一样的是
LED发出来的光不是连续谱
而是一个非常窄的带状谱
因此如果要产生白光照明的效果的话
需要根据色度学的原理
选择黄色加蓝色
或者是红色 绿色 蓝色
三原色组合的这样一种合成照明的方式
所以在LED的灯箱中
一般都不止使用一颗LED灯
而会排布有几种不同颜色的灯
然后利用不同的光学系统
对这些光进行合光以后
从光纤或者是自由光学元件
比如说反射镜出射进行照明
这幅图中给出来了一个LED的灯箱
我们看到它使用了红
绿
蓝
黄
紫等等颜色的LED
然后利用半透半反镜进行合光
之后通过整形透镜
来调整整个光束的形状
最后通过光纤出射灯箱
现代的显微镜已经是模块化
标准化的仪器了
因此光源的部分也制定了一定的
结构尺寸规格和电气连接规格
这样方便不同的光源之间进行更换
这个是蔡司公司出品的卤钨灯
LED灯
氙灯和金属卤化物灯箱的外形图
在光源的种类确定之后
根据不同的发光原理
它的亮度和稳定度也基本确定了
显微镜在绝大多数情况下
都是用于定性的观测的
因此对光强稳定性的要求不是特别高
上述提到的光源
都是经过多年的仪器研制和实际使用
保留下来的经典的光源
它的亮度和稳定性
都适用于绝大多数的观测需求
不过
上述卤钨灯
氙灯
LED等都是非相干的光源
只适用于做常规的几何成像
如果需要应用相衬
或者是微分干涉等等原理
产生特殊的成像效果的话
那么对光源的相干性要提出一定的要求
相信对于学过物理光学的观众来说
相干性这个概念并不陌生
它指的是光束能够产生
稳定的干涉条纹的性质
相干性可以分为时间相干性和空间相干性
前者对光源的谱线宽度有要求
谱线越窄 时间相干性越好
后者对光源的形状有要求
当然了
相干性最好的光源是激光
如果想用常规的光源
又要产生相干光的话
那么可以通过这样的光路来实现
首先让非相干的光源
比如说弧光灯发出非相干光
通过一个针孔光阑
就能够产生空间相干性良好的光
然后再通过一个窄带滤光片
限制其透过的波长
就能够得到时间相干性良好的光
这种能产生时间相干光的
窄带滤波片又叫作干涉滤波片
它是一种利用多层介质膜
透反射光分别进行干涉相长
和干涉相消原理所制成的滤光片
一般一块干涉滤波片
只有一个透过的中心波长
而且带宽在10个纳米以内
除了干涉滤光片
在显微镜中还有一类重要的滤光片
那就是二向色滤光片
这是一幅典型的
二向色滤光片的光谱透过率曲线
我们可以看到
这种滤光片其实是一个高通的滤波器
当光波长低于截止波长的时候
它的透过率是很低的
当光波长高于截止波长时
透过率非常的高 接近1
那么这种滤光片有什么用呢
大家注意看一下
这里除了画出了滤光片本身的透过率曲线
还画出了一个激发光
和一个样品发射光的谱线
对的
通过前面的介绍我们可以知道
在荧光显微镜中
激发光是进行落射照明的
也就是它要共用
物镜的光路同时进行照明
还要接收信号光
如果激发光和样品发射光同时进入了探测器
而探测器对两者都有响应的话
那这个时候激发光就会成为背景噪声
从而极大地降低图像的对比度
我们使用这种二向色滤光片
就能够把激发光挡在探测系统之外
从而保证样品发射光
以极低的损耗进入到探测系统中
在解决了波长
相干性
亮度和稳定性方面的需求之后
我们来看看如何能够实现均匀的照明
显微镜常用的照明方式
包括柯勒照明
临界照明等
这些也是投影仪等等
光学仪器中常用的照明方式
下面我们以柯勒照明为例
介绍光学系统中的一些共轭面
这里需要观众对于成像共轭的概念
以及光学系统的光瞳面的概念
有一定了解
所谓柯勒照明 它的基本思路
就是把光源成像在物镜的入瞳上
以获得在样品表面尽可能大面的均匀照明
如这幅图所示
我们来看一下这两组共轭面的示意图
左侧这一组是共轭的视场面
也就是所有与样品共轭的面
或者说与样品满足成像关系的面
从照明系统一直到人眼
分别是照明聚光镜的视场光阑
样品的物面
中间像面以及人眼的视网膜
这一组面描述的
是显微镜中的成像关系
也是大家非常熟悉的
右侧的这一组是共轭的孔径面
也就是描述的与光源共轭的那一些面
如果从照明系统一直到人眼的话
分别应该是光源本身
聚光镜的前焦面
物镜的后焦面
以及人眼的瞳孔
这一组面描述的是照明关系
可能相对来说大家不是那么的熟悉
不过我们注意看一下样品前后
通过这样的一组设置
在照明光通过样品的时候
几乎是以平行光通过的
这样就能够极高地提高
在样品上照明的一个均匀性
那么最后我们再来看一下
所谓的暗场照明是怎么实现的
暗场本身的要求是
照明光不能够进入到物镜
这样我们观察到的
才是样品散射或者衍射所成的像
在前面讲解了物镜的数值孔径的定义之后
我们就知道
这样就意味着照明光本身的数值孔径
必须要大于物镜的一个数值孔径
因此我们首先需要一个
数值孔径大于物镜的照明聚光镜
之后在照明聚光镜上设置一个暗场的光阑
产生环形的照明
把物镜数值孔径内的照明光
给遮挡住
而让数值孔径外的照明光能够顺利地通过
这样就能够形成暗场的照明
不过
由于设计大数值孔径的照明聚光镜
同样也是一件很困难的事情
如果在物镜本身的数值孔径
特别大的情况下
用常规的单透镜或者多透镜的方案
可能没有办法解决这个问题
此时可以采用
如图中所示这两种特殊的
抛物面形的反射聚光
或者是心脏形的反射聚光镜
这样的方案
来直接产生环形的照明光
实现暗场的成像
到此我们已经讲解完了
显微镜的基本的原理和组成
在这儿我们对显微镜基本的工作原理
和设计方法做一个小结
第一
无论在传统的光学显微镜
还是现代的光电显微镜中
照明系统
物镜
和目镜都组成了基本的成像光学系统
也是显微镜的核心的部分
它的设计实现除了涉及到光学设计
还需要光学制造
机械设计和装调
等等多方面的知识和技能
也需要大量的经验
第二
现代显微镜的光源
物镜和目镜等等组件都是采用模块化的设计
具有一定的行业标准和国家标准
这些使得显微镜的选购
使用和改造都变得更加的容易
那么在后面的课程中
我们将展示显微镜的使用方法
以及两种较新的显微技术
最后我们将会给出一些业内的访谈
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
-考试--期末考试
