激光或单色LED作显微光源——无色差无干涉条纹光学显微摄影和双重单色光照明的探究

激光或单色LED作显微光源——无色差无干涉条纹光学显微摄影和双重单色光照明的探究 激光或单色LED作显微光源——无色差无 干涉条纹光学显微摄影和双重单色光照明 的探究 刘汉生:激光或单色LED作显微光源——无色差无干涉条纹光学显微摄影和双重 单色光照明的探究 文章编号:1006—6268(2010)04—0018—04 激光或单色LED作显微光源 无色差无干涉条纹光学显微摄影和双重单色光照明的探究 刘汉生 (武汉市第十一中学,湖北武汉430030) 摘要:如果采用单色LED作光源,由于LED属非相干光源,因此能在消除色差的前 提下避免成 像时的干涉条纹现象;如果采用激光二极管作光源,通过高频轻微震荡激光光源等 方法,也能使人 眼或摄影仪看不到相干条纹,提高图像清晰度. 关键词:单色光作显微光源;无色差;无干涉条纹;多重单色光多角度复合照明 中图分类号:TN949.199文献标识码:C LaserorLEDLightSourceforMicroscopy — __NOChromaticAberrationNoInterferenceFringeOpticalMicroscopy andDoubleMonochromaticLightingPhotographicExploration LIUHan-sheng (WuhanNO.11HighSchool,WuhanHubei430030,China) Abstract:Ifmonochromaticlight— emittingdiodelightsource,becauseLEDisanon-coherent lightsource,theyareabletoeliminatechromaticaberrationtoavoidtheinterferenceofthe premise.IftheLDsource,throughminorandhigh—frequencytremorsoflightsourceandother methods,butalsothepeople'Seyesorphotographicinstrumentcannotseeinterferencefringe , toimproveimageclarity. Keywords:laserorLEDlightsourceformicroscopy;nochromaticaberration;nointerferenc e fringe;multi——anglecompositemulti-monochromaticlighting 引言 本文针对光学显微镜成像过程中出现的色差问 题(色差是源于不同波长的光线在透镜里的色散和 折射系数的差异,从而导致不同波长的光线有不同 的焦点,最后成像的位置也略有不同,从而影?向成像 效果),提出了一种解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,该方案同时解决了单 色光照明易导致干涉条纹出现的问题. 具体方法是使用激光或单色LED等波长一致的 单色光,取代现有的卤素灯等复色光源进行光学显微 镜标本照明.激光或单色LED光色纯,波长种类多 (颜色种类多),实验结果发现采用波长一致的单色光 作显微照明光源,由于折射率一致,最后成像时完全 避免了色差,从而得到结论:用激光或LED等单色光 源照明,从光源处解决了不同波长的光折射率不同的 难题,从根本上避免了色差,提高了图像清晰度,而对 薄膜结构和低对比度标本的观察尤其有效.另外,配 合摄影系统,可以非常方便地进行单色光照明显微观 18现代显示AdvancedDisplayApr.2010,总第111期收稿日期:2010—02—14 — 莰术交流一一 刘汉生:激光或单色LED作显微光源——无色差无干涉条纹光学显微摄影和双重 单色光照明的探究 察和摄影,且通过变阻器可以根据需要随意调节光源 的亮度,而光色纯的特点则避免了观察微弱荧光时有 其它颜色的光干扰的现象.如果用多重单色光多角度 复合照明,还会取得不同于自然复色光的效果.一些 小的凸凹会在多色的对比下更显突出,并显出不同的 颜色,将明暗显凸凹转化为多色显凸凹(仍然无色 差).且其方法比其它方法更节约成本操作简易.另 外,通过在光源处消除色差,可以去掉平常用于消色 差的透镜,便于对光学仪器进一步改进. 1技术背景 在用光学显微镜观察标本时,由于色差,不同波长 的光成像的位置不同,会导致成像不清从而影响观察. 激光和发光二极管等技术早已问世,其中激光也早已 用在了各项尖端领域.光学显微镜作为观察微观生物 的重要工具,也早已衍生出许多不同类型,这些原理和 应用范围各不相同的显微镜各有所长,也存在不足.激 光作为相干光,作为显微镜光源,一般采用扫描方式工 作[|】:而LED早已应用于宏观照明,也已用作显微照 明.本文提出一种用激光或LED照明的光学显微镜使 用方法——单色光照明显微摄影法,并指出其应用. 2单色光照明光学显微摄影法 单色光照明显微摄影法是以弱激光或单色LED 作光源的显微摄像法,和现有的激光扫描显微镜不 同,它并不是用激光来扫描,而是用来对标本进行照 明,因此只需考虑光源的纯度,并不要求其单向性. 激光器,激光二极管,发光二极管等光源具有波长一 致,方向性好等优点,使光的折射率达到一致或基本 一 致,并从根本上有效避免了色散,提高了显微精 度.因此除激光外,发光二极管等高纯度单色光源也 可以用作光源,这种高纯度单色光源发出的高纯度 单色光,便是单色光显微镜的核心. 实验在暗室中进行,以防杂光干扰,同时配合摄 影系统,可以非常方便地进行单色光照明显微观察 和摄影,另外通过变阻器可以根据需要随意调节光 源的亮度. 2.1用弱激光照明 如果用激光二极管作光源,且基于激光波长一 致的特点也不会产生色差.另外通过高频轻微震荡 激光光源等方法,也能使人眼或摄影仪看不到相干 条纹,提高图像清晰度.综上所述,即破坏激光的相 干性而不改变其波长一致的特性. 2_2用单色LED照明 如果用单色发光二极管作光源,由于LED属非相 干光源,所以能在消除色差的前提下避免成像时的干 涉现象,且lED价格低,功率小,发热少,不烘烤样本, 节能环保.另外,采用调节电压的方法改变LED亮度 较为容易,且不会因为电压变化导致光的波长变化. 3改进光学系统 改进方案一:使用单色光照明后,从光源处消除 色差.这样便可以将原来用于光学仪器消除色差的 镜片淘汰,减少了透镜的数量,从而降低了成本,减 小了单色像差,降低了制镜 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 的要求,并提高了成 像精度. 改进方案二:去掉用于消色差的镜片后,也可以 选择再加长显微镜筒并加入凸透镜,进行在光学显 微镜允许范围内的多级放大.这样就能在总放大倍 数不变的情况下减小物镜倍数,增大物足巨,使得在高 倍放大时调节准焦螺旋会更方便,且不容易使物镜 和标本相撞,调焦也会更精准. 4单色光显微照明的优点 单色光照明显微镜的应用范围和相差显微镜有 些类似,是用来观察未染色标本和对比度较低的生 物结构的.相差显微镜是利用物体不同结构成分之 间的折射率和厚度的差别,把通过物体不同部分的 光程差转变为振幅(光强度)的差别,经过带有环状 光阑的聚光镜和带有相位片的相差物镜实现观测的 显微镜.其中光阑是光具组件中光学元件的边缘,框 架或特别设置的带孔屏障,作用是挡住大部分光,只 让指定的较小范围的光波通过.光阑的制作复杂,成 本较高,推广起来有一定局限性. 弱激光或LED使用相对简便,可以轻易变换光 源,使用不同颜色的单色光照在本色不同的各种标 本上会取得不同的效果,将不同颜色的单色光拍到 的细节不尽相同的照片进行对比,也更容易得到相 Apr.2010,总第l11期现代显示AdvancedDisplay19 刘汉生:激光或单色LED作显微光源——无色差无干涉条纹光学显微摄影和双重 单色光照明的探究 对可靠的结果. 另外,现在用于消除色差的油镜和滤光片在消 除杂光的能力上都比较有限,难以取得特别好的效 果.如果通过使用不同材质的镜片来消除色差,又势 必增大制镜难度.而单色光照明则能够从光源处使 光的波长一致,折射率亦一致,这样便能从根本上消 除色差,从而得到高质量的显微图像. 选取光源时,可根据实验精度要求以及其它因素 选取各种强度和波长合适的LED或弱激光器作光 源.如果用LED作光源,其比通常用来显微照明的卤 素灯省电90%以上,一般来说,LED的工作电压为 2,3.6V,工作电流为0.02,0.03A,它消耗的电能不 超过0.1W,而如此低的耗电量发出的光用于显微照 明却是绰绰有佘的,且亮度方便调节,并可以根据放 大倍数不同,使用不同的亮度(低倍和高倍亮度要求 有很大的差别,传统的卤素灯达不到亮度随意变化的 ,重量轻,寿命长,利于节能 要求).另外LED体积小 环保,单色聚焦好.不同色的光折射率不同,聚焦会不 一 致,使用单色光则可以解决这一问题.此外LED发 热量极小,不会烘烤样本,和现在普遍使用的分光镜 相比,对光方便且较窄的波长范围容易选择. 5单色光显微照明的应用 5.1用单色光照明光学显微摄影法观察低对 比度标本 这种单色光照明显微镜对较低对比度的薄膜结 构的细节观察尤其有效,因为复色光通过透明薄膜 时对比度~E/J\,再加上色散带来的色差,导致薄膜细 节部分成像大量缺失.而使用单色光,从根本上消除 了色差,通过明暗差异,可以清楚地看到细节的不 同.而激光良好的方向性与其波长一致的特点,借助 多角度拍摄,又可以综合各角度的成像分析图片.如 图1,图2所示. 5.2对荧光物质的显微观察 单色光照明显微摄影法由于使用弱激光或单色 ,因此在观察荧光作用时对荧光的干扰较 LED照明 小.在显微观察时,如果用卤素灯等复色光进行照 明,那么标本上由某种波长的光激发的荧光便容易 被其它波长的光掩盖,影响对荧光的观察.而如果用 单色光照明,一旦出现荧光,便会与单色光下的标本 图1采用LED光源照明的显微镜配合摄像头一起 拍摄的400倍洋葱表皮照片 图2对某种豆娘翅膀用白光和红光照明并进行显 微拍摄的对比.没有出现干涉条纹 产生鲜明对比,不受杂光影响,便于观察者对荧光的 无干扰观察,方便学者们发现更多由可见光激发出 的微弱荧光. 5.3用电脑技术作进一步处理 用单色光照明显微摄影法拍到的彩色图片也可 以用电脑轻易地处理成黑白照片或反色图片,以便 配合明暗和线条来进行图像对比分析.另外,对于患 有色盲等疾病的人来说,用这种简易的方法带来的 明暗差异会比五颜六色的图片容易观察,这也是激 光或单色LED照明显微镜的优点之一. 5.4较低倍数下多重单色光多角度复合照明 如果用多重高纯度的单色光(激光器或类激光 器发出,光源的选取视情况而定),可多角度复合照 明.由于不同颜色的光从不同角度射入标本后穿透 性不同,细胞上不同结构反射不同颜色和角度的光 的效果将大不相同,而双色对比使一些部位对比度 大幅提升.双色或多色照明不会导致色差,却能增 强对比度,这是普通复色光所无法达到的效果.一 些小的凸凹和不同物质透光性的不同会在多色照 20现代显示AdvancedDisplayApr.2010,总第111期 刘汉生:激光或单色LED作显微光源——无色差无干涉条纹光学显微摄影和双重 单色光照明的探究 比下更显突出(如图3所示),将明暗显凸凹 多色显凸凹,更多地观察到了细节,这也是 滤光等方法不能相比的. 图3400倍洋葱表皮细胞. 之所以普通的复色光不能达到这种多角度 色光照明的效果,主要原因是普通复色光中 长的光在同一点发出,7种有色光的成像相 ,不仅没有双重单色光多角度照明那样对比 的效果,反而互相掩盖线条与色彩的细节 ).从多角度进行单色光照明,不同波长的 影响,使标本显现出各处透光状况的不同, 于不同波长的光并非从同一方向发出,因此 干扰无色差.另外,由于多角度单色照明颜 少,且容易变换其它颜色及角度进行照明, 成像中的高对比色不易被其它杂光干扰,仅 可以极其准确地表现出标本细节处光学性 同.二进制比十进制更容易被电脑识别,那 度单色光混合照明自然也比普通的复色光 把细节在成像系统中显现出来(此技术几乎 光源有很好的方向性,只要光色较纯且相互 生对比即可,因此使用小功率激光器,激光 ,发光二极管等作光源均可). 图3所示蓝光与橙色光双角度拍摄,蓝光会 咆壁,黄光会聚于细胞质,可对比出细胞质与 的透光不同.另外,细胞质部分黄色背景下星 的蓝光,用多色对比代替传统的明暗对比,在 色差的情况下,明显显示出细胞质的不均匀 膜的凸凹. 外,某些其生生物(如豆科植物的根瘤菌)由于 郛位过于紧密,普通光学显微镜很难从中分辨 出哪些结构属于哪种生物.而如果使用多重单色光多 角度复合照明,由于不同种生物的结构对不同颜色(波 长)的光透光性一般不同,不同的组织透过不同颜色的 光,那么用双色或多色便可使共生区域的不同生物的 颜色有鲜明对比,这样便能轻易区分共生部位交错在 一 起的两种或多种生物组织.和染色相比,这种方式既 不会伤害共生的生物本身,又可以随意更换实验用光. 依据同样的原理,这种方式也可以用来观察活体肿瘤 细胞在正常组织中生长的情况,像观看B超成像一样 轻松观察肿瘤细胞在生物体中的生长过程. 使用高倍数单色光照明时,光的颜色(波长的选 择)变得很重要.在低倍条件下,我们强调色温,也就 是强调标本颜色的真实度,或者用双重单色光照明, 使图像具有立体感,方便观察一些对比度低的结构. 但在高倍数条件下,不同波长的光使图像成像的位 置差别较大,再用双重单色光照明,会因为成像位置 的不同导致调焦困难和不准确.这时使用单色光,还 要考虑衍射问题.由于在高倍情况下已经不考虑标 本本身的颜色,而是要看清细微结构,因此使用波长 较短的蓝光或紫光,衍射的情况会比红光小得多,由 于干涉而被红光绕过的一些细微结构不会被短波长 的可见光放过,从而提高显微镜的观察力. 6结论 通过使用激光二极管,发光二极管等光色纯的 光源进行显微照明,不仅取得了上述效果,而且相 比目前的各种消色差方法而言成本低,易操作,比 钠灯方便,价格更低,且种类多.与共焦显微镜的激 光照明方式及原理不同,此方法是在普通显微镜上 增加这一单色光照明系统,作为一种易于进行教学 与推广的新型消色差办法. 参考文献 【1】奥林匹斯:OLS4000,3D测量激光显微镜,产品 说明书 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 , 200910. 【2】奥林匹斯BX41M—LED显微镜,产品说明书,2009.7. 作者简介:刘汉生(1993一),男,现就读于武汉市第 十一中学,爱好光学显微镜的研究,2009年曾被学 校派往瑞典聆听诺贝尔物理奖和化学奖得主的演 讲oE—mail:wuhanliuhansheng@foxmail.corno Apr.2010,总第ll1期现代显示AdvancedDisplay21