奥林巴斯显微镜什么是可见光？

可见光仅包括整个电磁辐射光谱的一小部分，但它包含人眼的视杆和视锥细胞将响应的频率区域。人类通常能够可视化的波长位于约400和700纳米之间的非常窄的范围内。人类可以观察并响应可见光产生的刺激，因为眼睛包含对这一频率范围敏感的特殊神经末梢。但是，电磁波谱的其余部分是不可见的。

各种各样的源负责电磁辐射的发射，并且通常根据源产生的特定波长谱进行分类。流过巨大的广播天线的电流产生相对长的无线电波，而原子内带负电的电子的能量状态波动产生更短的可见光波。短形式的电磁辐射伽马波是由原子中心的核成分衰变引起的。人类能够看到的可见光（光谱如图1所示）通常是波长的混合，其变化的成分是光源的函数。

在我们的日常生活中，我们受到大量电磁辐射的轰击，其中只有一部分我们能够实际“看到"可见光。当在外面冒险时，人类可见的绝大部分光从太阳发出，这也产生许多其他不属于可见光范围的辐射频率。在内部，我们接触到来自人造光源的可见光，主要来自荧光和白炽钨装置。

在夜晚，除了周期性的北极光（北极光）和偶尔的彗星或流星（“流星"）之外，天体还会产生自然光，如月球，行星和恒星。其他自然光源包括气象闪电，火山，森林火灾，以及一些生物化学可见光源（生物发光）。生物光源包括熟悉的闪电虫（“萤火虫"）和来自海洋的更多异国情调的发光，包括细菌，藻类，甲藻，水母，梳状果冻（栉水母）和某些鱼类的生物发光物种。

可见光波长和感知颜色

表格1

表1包含人类对可见光谱中的许多窄波段所感知的表观颜色分布的列表。将特定颜色与波长区域相关联可以区分不同的色调，色调和阴影。许多不同的光谱分布可能产生相同的颜色感觉（称为异构体的现象））。例如，黄色感觉可以由单个波长的光引起，例如590纳米，或者它可以是观察两个等量的具有单独波长的光的结果，例如580和600纳米。还可以将黄色视为包含580和600纳米之间的所有波长的窄分布。关于人类视觉系统，相同的论点适用于可见光谱中的所有颜色。然而，近的研究表明，一些物种（注意的是，鸟类）可以区分被人类感知为异构体的颜色。

白炽灯光源

在漫长的夜晚，早期的人类没有可靠的光源，但是他们偶尔可以从丛林火灾中找到并收集燃烧的木材，然后在篝火中保持火焰在短时间内燃烧。随着知识的进步，人们发现火花和随后的火灾可能是通过将某些石头撞在一起（如燧石和铁黄铁矿）或通过积极地将木材与木材摩擦而产生的。一旦掌握了这些技术，人类就可以在需要时产生火力。

当火燃烧时，化学能以热和光的形式释放。燃烧的燃料，无论是草，木材，油还是其他一些可燃材料，都会释放出燃烧过程中产生的巨大化学能加热的气体，使气体中的原子发光或发出白光。气体中的电子被热量提升到更高的能级，当电子弛豫到基态时，光以光子的形式释放。火焰的颜色表示温度和释放的能量。暗淡的黄色火焰比明亮的蓝色火焰要冷得多，但即使是酷的火焰仍然非常热（至少350摄氏度）。

尽管使用了焦油和碎布来制造早期火炬，但是在发明油灯时发生了控制火灾的个实际步骤。已发现超过15，000年的早期灯（图2），由岩石和贝壳制成，用于燃烧动物脂肪和植物油。在发明燃气照明之前，对动物油有巨大的需求。这种油的主要来源是牛脂通过煮沸从海洋动物获得的脂肪组织产生的，例如鲸鱼和海豹。油灯终演变成蜡烛，通过铸造硬化牛油或蜂蜡形成，如图2所示。早期的蜡烛产生了相当多的烟雾，但光线不多。后，发现石蜡在用浸渍的布芯适当地浇铸时产生相对明亮的火焰而没有大量的烟雾。

在19世纪，天然气照明在欧洲，亚洲和美国的许多主要城镇得到普及。早期的煤气灯通过产生燃气喷射（非常危险的情况）来操作，而后来的型号则装有地幔或化学处理过的织物细网，它可以分散火焰并发出更明亮的光线。

早期的显微镜学家依靠蜡烛，油灯和自然阳光为显微镜中相对粗糙的光学系统提供照明。这些原始光源遭受闪烁，不均匀照明，眩光，并且通常是潜在的火灾危险。如今，白炽灯高强度钨基灯是现代显微镜和大多数家用照明系统中使用的主要光源。

图3中显示的是光谱分布曲线，显示了几种不同白色光源的能量与波长的相对量光（由含有可见光谱中所有或大部分颜色的混合物组成）。红色曲线表示钨光在整个可见光谱上的相对能量。从检查图中可以明显看出，钨光的能量随着波长的增加而增加。这种效果极大地影响了所得光的平均色温，特别是当它与自然日光和荧光灯（水银蒸汽灯）相比时。由黄色曲线表示的光谱描绘了在中午采样的自然阳光光谱的可见光分布。在正常情况下，太阳光含有大量的能量，但是图3中所示的曲线都已经归一化为钨谱，以便于比较。深蓝色光谱曲线是汞弧光灯的特征，与钨和自然阳光光谱有一些显着差异。放电弧光谱中存在若干能量峰值，这些能量峰值是由源自汞蒸气的叠加的单独线谱产生的。

白光发光二极管产生的可见光谱（LED图3中的绿色曲线表示发光二极管本身是单色器件，其颜色由二极管结构中使用的各种半导体材料之间的带隙决定。红色，绿色，黄色和蓝色二极管是常见的，并且广泛用作计算机和其他消费电子设备的指示灯，例如无线电调谐器，电视接收器，光盘播放器，盒式录像机和数字视频盘播放器。通过用磷光体材料涂覆半导体管芯，由氮化镓蓝二极管制造白光LED，当被蓝色二极管发射的光激发时，磷光体材料发射宽范围的可见波长。无论是二极管还是气体激光器，激光光谱都非常狭窄，通常仅包括一个或几个特定波长。图3（青色曲线）示出了用于各种应用的低电流半导体二极管激光器的示例，包括读取条形码和跟踪光盘数据。

钨光源通常被称为白炽灯，因为它们在被电能加热时会发出光。现代灯泡（或灯）的灯丝通常由钨构成，钨是一种在通过电流电阻加热时在辐射光方面有效的金属。现代白炽灯是由Humphrey Davy爵士发明的碳弧灯产生的，当在电极上放置电势时，它通过在两个碳棒（或灯丝电极）之间形成的放电电弧产生光。后，碳弧灯让位于使用真空玻璃外壳中所含碳丝的盏灯。由William David Coolidge于1910年的钨丝在玻璃封套的真空中加热时比棉衍生的碳纤维蒸发得慢得多。灯丝充当一个简单的电阻，钨白炽灯是热辐射器，其发射在近红外区域中从大约300纳米，在紫外区域中延伸到大约1400纳米的连续光谱。它们的设计，构造和操作非常简单，并且已经将各种各样的这些灯用作白炽光源。典型的灯由密封的玻璃外壳（见图4）组成，抽空或填充惰性气体，并含有钨丝灯丝，该灯丝由直流电或交流电激励。灯泡产生大量的光和热，但光只占其总能量输出的5％至10％。

钨灯倾向于具有若干缺点，例如随着时间的推移强度降低和内部包络面的黑化，因为蒸发的钨缓慢地沉积在玻璃上。钨灯的色温和亮度随施加的电压而变化，但色温的平均值范围为约2200K至3400K。活性钨丝的表面温度非常高，标准100的平均温度为2550摄氏度。 -watt商业灯泡。在某些情况下，钨灯泡外壳充满了Noble气体氪气或氙气（惰性填充物）气体）作为产生真空的替代方案，以保护热钨丝。这些气体提高了白炽灯的效率，因为它们减少了沉积在周围玻璃容器内部的蒸发钨的量。

卤素灯泡是白炽钨灯的高性能版本，通常在填充气体中含有痕量的或溴，它们比用其他气体制造的灯更有效地将蒸发的钨返回到灯丝。在20世纪50年代由通用电气公司开发的用于照亮超音速喷气机喷嘴的钨卤素灯能够在整个灯泡寿命期间产生非常均匀的亮光。此外，卤素灯比强度相当的钨灯小得多且效率更高。在的条件下，钨卤灯泡的寿命可长达10年。

钨卤灯的灯丝通常是安装在硼硅酸盐 - 卤化物玻璃中的非常紧凑的螺旋组件（通常称为熔融石英）） 信封。高工作温度限制了使用卤钨灯泡到通风良好的灯塔和扇形散热器，以消除这些灯泡产生的巨大热量。许多家用灯具配备300-500瓦卤钨灯，并产生大量光线，比其发光较弱的钨灯更好地填充房间。当与光纤光管和吸收或二色滤光器配合使用时，卤钨灯罩可为各种光学显微镜应用提供高强度照明，但作为一个主要缺点，可以产生大量的辐射热形式的红外光，容易降解标本。

荧光光源

除了在光学显微镜中具有重要应用之外，还有各种各样的非白炽可见光源用于室内和室外照明。这些光源中的大多数是基于通过诸如汞之类的气体或氖气，氩气和氙气的惰性气体的放电。气体放电灯中可见光的产生依赖于气体中原子和离子之间的碰撞，其中电流通过放置在灯泡外壳端部的一对电极之间。

普通荧光灯的玻璃管在玻璃的内表面上涂有磷光体，并且管在非常低的压力下充满汞蒸汽（参见图5）。在管的末端处的电极之间施加电流，产生从一个电极流到另一个电极的电子流。当来自流的电子与汞原子碰撞时，它们将原子内的电子激发到更高的能量状态。当汞原子中的电子返回基态时，这种能量以紫外辐射的形式释放。紫外线辐射随后激活内部荧光粉涂层，使其发出我们从荧光灯观察到的亮白光。荧光灯发出可见光的效率大约是其两到四倍，

荧光光源的一个*特征是它们产生一系列波长，这些波长通常集中在称为线谱的窄带中。因此，这些光源不会产生连续光谱，这是白炽光源的特征。非白炽可见光的（几乎的）单波长光源的一个很好的例子是街道照明中常用的钠蒸汽灯。这些灯发出非常强烈的黄光，95％以上的发光由589纳米的光组成，输出中几乎没有其他波长。除了大多数这些灯固有的线谱之外，还可以设计出发射几乎连续光谱的气体放电灯。见的技术是用荧光粉颗粒涂覆管子的内表面，

在正常情况下，大多数人无法辨别线谱与连续波长谱之间的差异。然而，一些物体反射来自不连续光源的不寻常的颜色，特别是在荧光灯下。这就是为什么在荧光灯照明的商店购买的服装或其他高度着色的物品在自然阳光或连续钨照明下经常会出现略微不同的颜色。

在反射光立体显微镜中，特别是在检查热敏样品时，荧光灯由于其高效率和低热输出而优于钨灯。现代荧光灯可以配置为线性管或环形发光器，以为显微镜师提供强烈的漫射光。这种人造白光源可以在色温下与阳光（没有伴随的热量）相媲美，并消除了消费级荧光灯管典型的闪烁特性。与钨，卤钨灯或弧光灯相比，荧光灯显微镜照明器可以提供相对长时间（约7,000小时）的高质量服务。作为漫射光源，荧光灯产生均匀照明的视野，而不会产生恼人的热点或眩光。较新冷阴极照明技术有望成为光学显微镜中的光源，尤其适用于荧光激发增强的短寿命事件，以及光源中的废热或预热时间可能干扰样品或事件的应用观察到的。

已经使用电子摄影闪光系统设计了一种用于拍摄移动样本的专门方法，特别是在暗视场显微照明中使用。电子闪光灯装置通过在大型电容器放电驱动的氙气充气玻璃外壳中的电离来操作。来自变压器的短寿命高压脉冲会使氙气电离，使电容器通过现在导电的气体放电。发出突然的强光，然后氙气迅速返回非导电状态，电容器再充电。闪光管在瞬间爆发时提供5,500 K的照明，可以捕捉大量的物体细节，从而在摄影，数字成像和显微摄影中获得惊人的效果。

充满气体如汞蒸汽和氙的电弧放电灯是一些特殊形式的荧光显微镜的有利照明源。典型的弧光灯比钨基灯更亮10-100倍，与特殊涂层二色相结合可提供明亮的单色照明干涉滤波器。与钨和卤钨灯不同，弧光灯不含灯丝，而是依赖于气态蒸汽的电离，通过两个电极之间的高能电弧放电来产生强光。通常，弧光灯的平均寿命约为100-200小时，并且大多数外部电源配备有计时器，使显微镜能够监测已经过了多长时间。汞弧灯（通常称为燃烧器 ;参见图6中所示的汞灯和氙灯）的功率范围为50至200瓦，通常由两个电极组成，这两个电极在高水银蒸气压下密封在石英玻璃外壳中。

汞和氙弧灯在从近紫外到红外的整个波长范围内不能提供均匀的照明强度。汞弧光灯的大部分强度都在近紫外和蓝光谱中消耗，大部分高强度峰出现在300-450纳米范围内，除了绿色光谱区中的一些高波长峰值。相比之下，氙弧灯在可见光谱范围内具有更宽和更均匀的强度输出，并且没有表现出汞灯*的非常高光谱强度的峰值。然而，氙灯缺乏紫外线，并且在红外线中消耗大部分强度，当使用这些灯时需要注意控制和消除过多的热量。

利用发光二极管作为实际照明源的时代已经到了二十一世纪，二极管是半导体技术和光学显微镜结合的理想补充。相对较低的功耗（10至100毫安时为1至3伏特）和发光二极管的长工作寿命使得这些器件在需要低至中等强度的白光时提供完美的光源。连接到计算机的显微镜通过通用串行总线（USB连接）连接）端口或由电池供电，可以将LED用作小型，低热量，低功率和低成本的内部光源，用于视觉观察和数字图像捕获。目前，一些教学和入门级研究显微镜使用内部高强度白光发光二极管作为主要光源。

尽管仍在研究环氧树脂包络光投射特性，但目前正在测试和销售各种应用中的发光二极管，例如交通信号灯，标志，手电筒和用于显微镜的外环式照明器。白色LED产生的光的色温光谱类似于日光下的水银灯照明类别。检查图3中所示的白光LED发射光谱，460纳米的透射峰值是由氮化镓二极管半导体发出的蓝光引起的，而550至650纳米的宽透射范围是由于发射的二次光所致。聚合物护套内的荧光粉涂层。波长的组合产生具有相对高色温的“白色"光，这是用于光学显微镜中的成像和观察的合适波长范围。

激光光源

在我们日常生活中变得越来越重要的另一种可见光源是激光照射。缩写LASER为的缩写大号飞行阿由mplification 小号 timulated Ë的任务- [R adiation。激光器的*之处在于它们发出的连续光束由单个离散波长（或有时是几个波长）组成，这些波长在单个对齐的相位中离开器件，通常称为相干光。激光器发出的光的波长取决于构成激光晶体，二极管或气体的材料。激光器有各种形状和尺寸，包括小到足以穿过针眼的微型二极管激光器，以及填满整个建筑物的巨大和研究级仪器。

激光器在许多应用中用作光源，从光盘读取器到测量工具和手术器械。氦氖（通常缩写为He-Ne）激光器熟悉的红光通过照明光学条形码扫描消费者购买，但在许多激光扫描共聚焦显微镜系统中也起着关键作用。激光在光学显微镜中的应用也越来越重要，既作为的光源，又与荧光和/或白炽光源结合使用。尽管成本相对较高，但激光在荧光，单色明场以及激光扫描共聚焦，全内反射，荧光共振能量转移和多光子显微镜等快速发展的领域中得到了特别广泛的应用。

氩离子激光器（图8）在488和514纳米处产生强大的光谱发射，而氪气体激光器在647.1和752.5纳米的波长处表现出大的峰值。这两种激光器通常用作激光扫描共聚焦显微镜中的激发源。钛掺杂蓝宝石晶体锁模脉冲激光器由于其高峰值强度而被用作多光子激发源，但它们还具有低平均功率和短占空比。作为多光子显微镜的优选光源，脉冲激光器比共聚焦显微镜中使用的小型空气冷却激光器昂贵且难以操作。

较新的激光技术采用基于半导体的激光二极管和单片上激光器，可减小光源的尺寸和功率要求。激光二极管，例如钕：氟化钇锂（Nd：YLF）和钕：钒酸钇（Nd：YVO（4）），响应速度通常比LED快得多，但也相对较小并且需要很少的功率。在显微镜中使用激光的缺点包括光源的额外成本，昂贵的光学损坏风险，与镜片和镜面涂层相关的成本增加，样品破坏以及如果安全处理和操作技术被忽略而对显微镜的潜在视网膜损伤。

从这个讨论中可以明显看出，尽管有各种各样的可用照明光源，但我们在日常生活中通常只依赖于少数照明光源。在白天，太阳是户外照明的主要来源，而我们在室内和夜间通常依靠荧光灯和钨灯照明。如上所述，这三个主要光源都具有不同的特性和光谱特性，但它们的大强度都落在可见光范围内。人脑自动调整到不同的光源，我们解释了我们周围大多数物体的颜色，因为它们在不同的照明条件下观察时几乎没有变化。