生物醫學成像和工業(ye) 計量的照明係統規格通常集中在光譜、空間和時間的光輸出特性上。Lumencor的技術支持總監Iain Johnson和我們(men) 分享了固態光源陣列——LED、發光管和激光器組合成的固態光引擎如何實現規格定製，以滿足特定国产成人在线观看免费网站的照明要求。
從(cong) 實驗室到生產(chan) 線：固態光源技術在生物成像與(yu) 工業(ye) 檢測中的性能提升
生物醫學成像和工業(ye) 計量的照明係統規格通常集中在光譜、空間和時間的光輸出特性上。Lumencor的技術支持總監Iain Johnson和我們(men) 分享了固態光源陣列——LED、發光管和激光器組合成的固態光引擎如何實現規格定製，以滿足特定国产成人在线观看免费网站的照明要求。
固態光引擎是一個(ge) 集中控製的固態光源陣列，其輸出合並到一個(ge) 共同的光學傳(chuan) 輸係統中（圖1）。光源的輸出可以並行激活以產(chan) 生白光（圖2），或在需要分離的波長時，也可按順序進行激活（圖3、圖4）。光源本身可以采用一種固態照明技術，即LED、光導管或半導體(ti) 激光器，也可以對這些光源技術進行組合。這可以根據zui終用戶的国产成人在线观看免费网站對亮度、角度分布和輻照度的要求進行定製。根據這一定義(yi) ，光引擎輸出的光譜分布可以通過加法組合，而這與(yu) 傳(chuan) 統的寬光譜照明設備（電弧放電和白熾燈）形成鮮明對比。傳(chuan) 統的照明設備產(chan) 生的光譜分布在物理上是不變的，隻能通過選擇性的阻擋和衰減來調整。從(cong) 工程學的角度來看，固態光源的第二個(ge) 主要優(you) 點是，它的輸出可以在強度（圖2、圖4）和時間（圖4、圖5）方麵進行精確控製。因此，光譜輸出單元件的差異很小（圖2），這使得光引擎国产成人在线观看免费网站於(yu) 不同成像係統時，所獲得的數據質量能保持一致。
圖1.固態光引擎及其輸出光譜的概念圖。四個(ge) 固態光源的輸出被合並入一個(ge) 共同的光路，並通過光導耦合進入纖維及或者圖像掃描儀(yi) 。在實際操作中，光源可以是2-21個(ge) ，具體(ti) 數量取決(jue) 於(yu) 国产成人在线观看免费网站要求。光源可以是LED、光導管或半導體(ti) 激光器其中的一種或組合。它們(men) 的輸出可以經過濾波（F）以細化光譜。輸出光的一部分會(hui) 被分離出來，並導向參考光電二極管（rPD），以提供控製反饋。
在大多數生物醫學成像国产成人在线观看免费网站中，不需要持續照明，甚至在某些情況下，會(hui) 起到反效果，影響實驗數據。通常情況下，照明與(yu) 相機曝光會(hui) 同步進行。這裏有兩(liang) 個(ge) 重點：首先是光源間的切換速度，其次是脈衝(chong) 間隔的複現性。相比和機械濾光輪耦合的白光照明器（約50ms的切換時間），光引擎可以做到小於(yu) 1ms的光源間切換（圖4），縮短了獲取多色圖像Z軸堆疊或者玻片掃描所需的時間。脈衝(chong) 間的積分不變形（圖5）是決(jue) 定延時圖像序列保真度的關(guan) 鍵因素。每個(ge) 脈衝(chong) 的積分量化了在延時序列中每次曝光所需的照度。脈衝(chong) 之間的照度差異越小，樣品動態行為(wei) 的敏感度就越能增加，這在圖像幀到幀的變化間可以體(ti) 現。
圖2.28台SOLA V-nIR光引擎（Lumencor, Inc., Beaverton OR）的光譜輸出曲線疊加。光引擎的總光輸出由光譜曲線所包圍的區域來量化。所有28台光引擎的平均輸出功率為(wei) 4558mW，標準差（n=28）為(wei) 91mW，相當於(yu) 2%的方差係數（CV）。
圖3.SPECTRA光引擎（Lumencor, Inc., Beaverton OR）的光譜輸出，包括LED、發光管或激光器。發光二極管和光導管的波長規格（nm）代表了中心波長（CWL）/半高全寬（FWHM），已經通過內(nei) 置的濾光片來改進光源輸出。功率（mW）是在光導（連接到顯微鏡或光學掃描儀(yi) ）的遠端測量得到的。
集成三種不同類型的固態光源，可以在整個(ge) 可見光和近紅外波段內(nei) 提供均勻的功率輸出。
圖4.由TTL觸發，AURA光引擎（Lumencor, Inc., Beaverton OR）交替輸出485nm（約0.5ms寬）和560nm（約3ms寬）的脈衝(chong) （示波器記錄）。圖中顯示了兩(liang) 條疊加的示波器軌跡，其中485nm的強度通過RS232串行命令從(cong) 100%調整到55%，而560nm的強度保持不變。485nm和560nm的脈衝(chong) 時間間隔為(wei) 0.25ms。
圖5.模擬光電二極管（APD）檢測來自一台5光源的AURA光引擎（Lumencor, Inc., Beaverton OR）發出的5ms光脈衝(chong) 。圖中展示了10個(ge) 脈衝(chong) 序列，代表了每次數據采集中記錄的150個(ge) 連續脈衝(chong) 。計算了150個(ge) 脈衝(chong) 序列中每個(ge) 脈衝(chong) 的積分光輸出。對於(yu) 555/28 nm輸出，150個(ge) 脈衝(chong) 的方差係數（CV）在555/28 nm脈衝(chong) 串中為(wei) 0.23%，在635/22 nm脈衝(chong) 序列中為(wei) 0.20%。其他三個(ge) 源通道的CV值相似（0.15-0.25%）。
除了光譜帶寬（圖3）以外，固態LED、光導管和激光器之間的主要區別在於(yu) 其光輸出的角度分布；LED和激光器之前的zui大區別如表1所示。對於(yu) 寬場顯微鏡国产成人在线观看免费网站，LED光源配置為(wei) 科勒照明產(chan) 生的均勻照明，輻照度範圍為(wei) 1-100mW/mm2。然而，單分子定位顯微鏡（SMLM）需要更高的輻照度，通過鏈接到顯微鏡臨(lin) 界落射照明器（critical epilluminator）的CELESTA光引擎（Lumencor, Inc., Beaverton OR），可以在樣品表明提供10^4mW/mm2的輻照度（圖6）。臨(lin) 界照明的使用是由科勒照明在光學上的低效率所決(jue) 定的，因為(wei) 科勒照明並沒有覆蓋整個(ge) 光源表麵或者發射光的全部角度分布。在臨(lin) 界照明中，光源被直接成像到樣品平麵上，這種方法更為(wei) 高效，但對光源輸出中的任何空間不均勻性也更為(wei) 敏感。臨(lin) 界落射照明器的作用是均勻化任何空間上的不均勻性，以產(chan) 生與(yu) 典型scmos相機傳(chuan) 感器尺寸（~200mm2）相匹配的高輻照度照明場。
Light Source | Power(mW)① | light guide ② | Light Guide Cross Section | Area(mm2) | NA ③ | Etendue (mm2 sr)④ |
LED | 500 | Liquid light guide | Circle, 3mm dia | 7.07 | 0.30 | 2.00 |
Laser | 800 | multimode fiber | Square, 0.4*0.4mm | 0.16 | 0.22 | 0.02 |
表1. 光源比較
①輸出功率是在指定光導的遠端測量的
②使用光導將光源輸出耦合到顯微鏡或光學掃描儀(yi)
③光導的數值孔徑
④光通量積決(jue) 定了光學檢測係統有效利用光源輸出的能力。當光源的光通量積與(yu) 光學係統的光通量積緊密匹配時，可以獲得zui佳性能。sr=球麵弧度。
針對光驅動生物技術以及工業(ye) 国产成人在线观看免费网站，優(you) 化光源的選擇性需要全麵考慮儀(yi) 器的光譜、空間和時間要求，這些正是需要照明光源來支持的。通常一種技術盡可以滿足其中的部分要求，所以zui佳策略即是混合多種技術來滿足全部需求。複雜的光引擎可以提供這樣一種集成的方法來混合光源，並克服任何給定技術的基本限製，例如，在熒光分析中，LED在500-600nm的光中由於(yu) 臭名昭著的“綠色間隙”功率和亮度往往無法滿足；或者相對於(yu) 毫秒級的切換時間，任何弧光燈的開/關(guan) 不穩定性；又或者廣譜光源進行多路複用研究時，譜寬也帶來了限製。如今各種固態光源各有優(you) 劣，隻有仔細評估它們(men) 的優(you) 點與(yu) 局限性，才能為(wei) 光驅動生命和材料科學国产成人在线观看免费网站的廣泛領域找到zui合適的照麵解決(jue) 方案。
圖6.使用CELESTA光引擎（Lumencor, Inc., Beaverton OR），通過一根直徑800um的光纖耦合到安裝在尼康Ti/Ti2顯微鏡的臨(lin) 界落射照明器上，並產(chan) 生均勻的熒光玻璃成像。使用尼康60/1.4 NA Plan Apo物鏡和Andor的 Zyla 5.5 (2560 x 2160 pixels) scmos相機進行圖像捕捉。圖表顯示了相機沿著標記為(wei) 紅色的對角線所記錄的灰度值。右上角的插圖展示了使用尼康10X/0.3 NA Plan Apo物鏡成像的同一樣品。
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