顯微鏡光源及使用要點
1.1 光源
在很多舊的顯微鏡書上所提到在理想的照明光源外有一層白色的遮蔽保護,而現在所使用的為電子照明。如果沒有完整的照明系統內建在顯微鏡里,光源通常為一個電網電壓玻璃電子燈泡裝置在一個簡單的外罩里,跟顯微鏡的鏡子一起使用。這一類型的照明并不*適合在高功率下所使用,因為這一型的照明很大臺、會制造大量的熱而且只有很低的照明。如果有外部照明使用,外罩就不需要一塊收集鏡但是光源必需裝設一個合適的虹膜光圈或是有不同大小的金屬光圈設備。當顯微鏡使用光源集中模式時,將有適合的場光圈和控制照明的大小。如果有一個可聚焦收集鏡安裝在外部燈泡,將可以使用科勒照明。一些比較便宜的顯微鏡裝有低功率、低瓦數燈泡,燈泡里頭的燈絲設計的較平,將線圈緊密的纏繞在一起而且面對燈泡的玻璃覆蓋的末端。這些是提供光來源的延伸。使用這一類型燈泡的顯微鏡有一片簡單的收集鏡,通常還有一片放在底面的毛玻璃來提供光的散射。雖然光燈泡是放置在顯微鏡的基座,照明設備可預先校準且顯微鏡在光源集中模式下可使用。很多實驗用的顯微鏡有相同的類型的低電壓燈泡,放置在前中心平臺,此平臺可以隨著我們所需要去移動,制造出我們所想要的光源。
2.1燈絲的分類
鎢絲燈泡的動力來源主要是經由電壓控制變壓器。燈泡發散出連續的光譜,從300到1500nm,大部份的能量輸出都在長波長的范圍里。這表示光有相對低的色溫。當照射器的電壓上升,照射器的發光及色溫也一起很明顯的增加。光源的色溫在色彩顯微照相術里很重要,他的單位為K。
傳統燈泡的缺點就是他的輸出會隨著使用的時間而衰減,像鎢會從燈絲上蒸發然后冷卻凝結在燈泡玻璃內側使得玻璃變黑。
現在很多顯微鏡都裝設鹵素燈泡,跟傳統的鎢絲燈泡相比,當操作在相同的電壓下,鹵素燈泡有很大的亮度、很高的色溫。一些鹵素燈泡雖然很小,但是在12伏特之下可輸出100瓦的功率。以鹵素燈泡來說,在硅玻璃外罩下的燈絲非常靠近,這樣可以產生很高的燈絲溫度,所以一般的玻璃無法承受這樣的溫度。鹵素燈泡的高燈絲溫度可以產生很高的照明。鹵素燈泡另一種的特征就是硅玻璃不會隨著使用的時間而變黑。這一類型的燈泡即使長時間使用,光的輸出很明顯的不會改變,然而色溫卻會隨著燈泡使用的時間會有一些減少。鹵素燈泡一樣發射出連續頻譜,當操作在相關的電壓下,色溫的范圍大約是在3200-3250K。由此可裀鹵素燈泡一直都在高溫下操作,所以在光路徑必需裝有一片濾熱鏡,而且鹵素燈泡要安裝在通風良好的燈屋里。
當聚光鏡將明場圖像聚在樣品面上,在工作臺下方的聚光鏡嵌合口,必須用一些方法將顯微鏡的光軸導向中央,幾乎所有的聚光鏡都有光圈在焦平面或靠近焦平面的地方,這種光圈是照光孔徑光圈(光圈孔徑是適合短工作距離的),它還限制了NA值,透過聚光鏡,使圓錐光線不致于發散而且適合物鏡的孔徑,在舊的儀器上通常會提供彩色濾光片的嵌合口,以提高對比值,或色彩溫度校正。
1.3
聚光型式
雙鏡片照明器的聚光鏡較常使用在便宜的顯微鏡,由Ernst Abbe設計,在圖6.2a有展示出,這種聚光鏡對于色彩和球面像差沒有修正,所以不適合用高質量的顯微鏡,Abbe聚光鏡在光圈全開的時候產生圓錐型的光線,所以不會產生敏銳的聚焦(因為球面像差的關系),而是產生一個多重焦點的混亂區域(顯示在圖1.13),這代表由Abbe聚光鏡所產生的影像不是那么的清析,而且在周圍有彩色的光環(因為此種聚光鏡缺少色彩調校),一個典型的Abbe雙鏡片照明器,利用'dry',有zui大的孔徑約0.5,Abbezui主要的好處是便宜和有很長的工作距離,而且有能力在物體上照亮很大的范圍。
能得到高校正的聚光鏡是比較好的結果,三鏡片Abbe聚光鏡或等光程聚光鏡,有比一般Abbe聚光鏡好的球面像差校正,不過仍然對色差沒有改善,有一種'dry'NA值為0.65的油涂在載玻片底下,當它的孔徑值達到1.2的時候,不管色差,這類型的的聚光鏡常用在一般的顯微鏡上,zui貴的無色差/等光程聚光鏡(圖6.2c)在zui少兩個波長下適當的染色,當載玻片涂上油,聚光鏡可以提供圓錐狀的等光程光線,其NA值約為1.4,某些聚光鏡為了獲得zui高的解析,使用高數值孔徑且復消色差的浸油型物鏡。
1.4 光源聚焦
控制樣品的照明是基本的工作,操控光源照明確保可得到適宜觀測結果,這些控制包含有樣品的照明及限制樣品中所需照明的區域,使光源照只射于樣品某區域中使其可見是一個很好的練習,這可減少因散射強光降低圖像對比。
這幾年中,安排照明器及聚光鏡方式已滿足目前的需求,這老式方法稱為”光源聚焦”的照明,在近幾個世紀中已使用燃燒的油燈來達到光源聚焦的目的。現今,光源聚焦的照明方式仍廣泛的使用于廉價的學生顯微鏡及利用額外的照明設備觀測的業余使用者,像opal enlarger 燈泡這樣的均勻光源,直接經由聚焦鏡將光源聚于樣品面上,而樣品中被照明的區域是由位于照明器前方的照明光圈所控制的,一系列的共扼面將使得照明器表面、場光圈及樣品聚焦于同一處,致使以上的影像將呈現于視網膜,為了改善這樣的情況,照明的設備必需足夠大、無明顯的結構外型及在照明器表面具有均勻的光強度,當額外的照射光源必需使用時,光源聚焦的照明方式將適合于平常可見的顯微鏡系統,這樣的設置是即簡單又容易。
大多數近代的顯微鏡都使用低電壓白熾燈或是鎢絲鹵素燈作為照明設備,由于鎢絲照明器具有顯著的結構,這使得無法用于光源聚焦的模式;然而,起初用于顯微照相術由August Kolher所發明的技術卻可用來取代,這是一種將鎢絲燈置于集光鏡后方之焦距處,而場發光光圈掛載于集光鏡前方,如此一來顯微聚光鏡可將場發光光圈處之影像聚焦于待測樣品平面上,然而集光鏡只將鎢絲照明器影像投射于聚光鏡前的焦平面上(也就是光圈虹膜所在位置),因此照明器的影像將只會出現”光圈圖表”的共扼面上,也就表示我們將不會再看到燈絲影像了。在這樣的設置中,照明設置中的集光鏡如同照射在樣品平面上均勻的第二照射光源,這么一來似乎具備了可調整光源大小的均勻照明器;場光圈及樣品的影像將會接替出現于”場圖表”中的共扼面上,我們稱為主要影像平面,并且會成像于視網膜上。
對(Kölher)科勒照明而言,照明燈箱必需符合集光鏡,通常包含了非球狀的組件,這樣的集光鏡系統必需能具足夠的擴大投射白絲燈影像,使得聚光鏡的zui大工作光圈充滿了光源,在Kölher系統中光圈是符合集光透鏡的,并作用為場照明光圈,這個動作,*是為修改物體所受照明區域的直徑,由于樣品受光學場以外的光影響導致散射光進入物鏡中,并且自主要影像周圍所造成的光在鏡管中散射至目鏡,除非我們將場照明光圈影像限制在合適的觀測大小范圍;第二,當將光圈部份關閉時,這可使得聚光鏡完成聚焦動作,并且確認聚光鏡置于中心處,當聚光鏡聚好焦時,場光圈影像亦同時清楚地顯示,如樣品影像清晰的位于觀測中心。
1.5
表面照明
假如樣品太厚導致光線透不過去,如光澤的金屬塊,或它們的顏色非常深,然后必須用入射光檢查其表面,我們通常稱表面照明,zui簡單的型式,用一兩個低能量的點照明燈座,在顯微鏡工作臺上方傾斜一個角度,或使用自然光傾一個角度打在樣品上,高能量的復合式顯微鏡對于光的要求必須更為嚴格,這樣才能獲得更佳的數據,有表面照明的顯微鏡,當光由適當的角度射入管子內的光軸,然后經由物鏡里半穿透半反射且與光成45度的鏡片反射到樣品上,在一些較古老的顯微鏡,可以用簡單的方法達到此目的,這種顯微鏡包含一片很薄的玻璃片,通常這種玻璃類似很小的圓蓋玻片,然后在其上部份鍍銀,另一種不同的方法是使用較小且在背面有焦平面的棱鏡,當入射光打到樣品上時會有一個小小的斜向角度,以致于物鏡的數值孔徑會減小,現代的系統使用狹縫光束盒,而且允許全彩的Kohler光來射在樣品上,如上面所說的傳送光,表面照明也可使用斜向光來應用在明場和黑暗的環境。
現代的反射光照明設備接替鏡是一個包含了一系列的光學照明系統,這個用燈絲投射影像到光圈孔徑平面,這兩個的圖像靠鏡片L2投射到物鏡后方的焦平面,這就是傳送光系統里的光線收集鏡片,我們可以透過開關光圈孔徑來控制光通過的量,且不會影響到物鏡里鏡片的孔鏡,同時也顧及到從樣品打回來的光,如果光圈孔徑*放在物鏡后方的焦平面,這個獨立的校正是不可能的。
許多應用在生物上的顯微鏡包括了營光顯微鏡和共焦顯微鏡,這兩者通常配有表面照明設備,而且發射的光通常都是低強度的且往往都有zui大的解析,這種顯微術也可用于低反射的物質如煤,這些全部需要物鏡片zui大的開口值,這個照明場的光圈嵌在里面,所以物鏡投射它的影像到樣本上,為了減少低反射樣品上的輝度,控制好照明場的在表面照明范圍的大小比輸送光來的重要,值得注意的是,Kohler反射光系統,在相對位置和光圈孔徑都與光源相反,光圈孔徑開始接近光,因為它不是形容物鏡后方焦平面的光圈位置(這樣會限制圖形的孔徑),光圈被放置在預定的共厄面。