Спектр света ксеноновой лампы: Различия в источниках света для машинного зрения

Различия в источниках света для машинного зрения

В зависимости от используемого источника света в осветителях машинного зрения можно решить разные задачи. Популярными источниками в настоящее время являются светодиоды и ксеноновые лампы, значительно реже люминесцентные лампы.

Только светодиодные осветители соответствуют жестким требованиям, предъявляемым к промышленному оборудованию: срок службы, виброустойчивость, питание от низковольтного напряжения, низкая температура корпуса и т.д. Однако, почему используются другие источники, и в чем их преимущества? Давайте посмотрим на спектр излучения различных ламп.

Спектр излучения солнца

Посмотрите на излучаемый спектр от солнца и сколько излучения видит наш глаз, CCD и CMOS сенсоры камер. Камеры на кремниевом датчике способны увидеть значительно больше человека при естественном освещении, особенно в инфракрасном диапазоне (длина волны от 780 нм до 1000 нм — ближний ИК).

Спектр излучения солнца, спектры восприятия камерами, человеческим глазом и чистым кремнием.

Спектр излучения светодиодов

Излучение от светодиодов совершенно не похоже на солнечный свет. Светодиод излучает свет определенного диапазона длин волн. Например, если светодиод красный, то его свечение будет заметно от 620 нм до 680 нм. В случае «белых» светодиодов (так их видит наш глаз), то они излучают много синего цвета, а люминофор, нанесенный на синий светодиод излучает оставшиеся зелено-красные спектры.

Для использования светодиодной подсветки в цветных системах машинного зрения необходимо настроить баланс белого — усиление различных цветовых спектров для балансировки цветовосприятия камерой. Современные камеры имеют встроенный алгоритм автокалибровки баланса белого, а также калибровки по цветовому шаблону — последнюю особенно важно произвести для инспекции оттенков цвета. 

Спектры излучения различных светодиодов (синий, зеленый, белый, красный, инфракрасный)

Спектр излучения ксеноновой лампы

У ксеноновой лампы есть два преимущества:

1. Она способна выдавать очень мощный и короткий импульс свет, способный «заморозить» движущиеся объекты на снимке.
2. Ксеноновая лампа дает относительно равномерную интенсивность излучения в видимом диапазоне (410-700 нм).

Это позволяет использовать данный источник с цветными камерами в системах контроля цвета продукции.

Спектр излучения ксеноновой лампы

Спектр люминисцентных ламп

Данные лампы еще встречаются в потолочном освещении офисов и производств. Они являются источниками равномерного света, исходящего с большой поверхности. Их применяют для освещения больших инспектируемых объектов, например контроль покраски автомобиля. В тоже время, их применение осложнено необходимостью повышения частоты переменного тока (вы замечали как пульсирует офисное освещение на камеру?). Поэтому для машинного зрения перерабатывают цепь питания данных ламп, чтобы избежать пульсации яркости на камере (частоту тока повышают драйвером до 20 кГц).

Спектр кольцевой люминесцентной лампы

Спектр лампы накаливания

Данная лампа крайне редко используется в машинном зрении из-за малого срока службы и надежности, однако она выдает мощное излучение в ИК диапазоне. В зависимости от температуры накала нити вольфрама — меняется пик цветовой температуры лампы.

Спектр излучения от лампы накаливания в зависимости от температуры нити.

Преимущества, отличительные особенности, ксенонового света

02.12.2022

Что такое ксеноновая лампа

Фары первых автомобилей были оснащены газовыми (пропановыми) лампами. На смену им пришли вакуумные лампы накаливания, затем галогеновые и газонаполненные лампы. Сейчас пришло время газоразрядных ксеноновых ламп, питаемых специальными блоками управления (контроллерами).

Ксеноновая газоразрядная лампа типа D2S(R) производства фирмы PHILIPS специально разработана как источник света повышенной яркости применительно к автомобильным фарам. В ней световой поток высокой интенсивности получается за счет свечения газа, инициированного дуговым разрядом между двумя электродами. Электроды лампы находятся в колбе, заполненной ксеноном под большим давлением (около 30 атм. в нерабочем состоянии и около 120 атм. в режиме горения) и солями металлов. Ксеноновая лампа имеет цветовую температуру около 4300 градусов по Кельвину (именно Philips(Osram) D2S)по сравнению с 2800 град.К у стандартной галогеновой лампы.

Преимущества ксеноновых ламп

Большая светоотдача
Световой поток, излучаемый ксеноновой лампой D2S мощностью 35W почти в два раза интенсивнее по сравнению с обычной штатной лампой накаливания мощностью 55W. Если обычная автомобильная 45-ваттная лампа излучает световой поток 600 люменов, то 55-ваттный галоген 1550 люменов. А ксеноновая лампа выдает «на гора» чуть больше 3000 люменов.И это при меньшей потребляемой мощности.

Независимость светового потока от питающего напряжения

Большая экономичность

35W — ксеноновая лампа. 55W (а то и все 100W) — обычная. Умножьте на 2 и сравните.Причем это потребляемая мощность.И это при вдвое большей силе света (3000 люменов против 1550 у стандартной галогеновой лампы мощностью 55Вт).

Больший срок службы

Если Вы эксплуатируете свой автомобиль так, что 2 часа в сутки ездите со включенными фарами(365 дней в году),то срок службы Ваших ксеноновых ламп составит порядка 4-х лет (средний срок службы ксеноновых ламп D2S (R) составляет 2800-3000 часов). Для справки: гарантированный срок службы обычных галогеновых ламп весьма мал и составляет 180-500 часов в зависимости от типа лампы и фирмы-производителя.

Большая вибрационная стойкость

Поскольку у ксеноновой лампы нет нити накаливания и, соответственно, нечему перегорать и обрываться, они не боятся ударов и тряски. Хотя их нельзя трогать руками и мочить(так же как и обычные лампы).

Большая безопасность и обзорность

Значительная часть ДТП происходит из-за плохой видимости в темное время суток. Влияние неблагоприятных погодных условий (туман, дождь, снег) еще более осложняет движение и делает его особенно опасным. Свет, излучаемый ксеноновой лампой, имея по сравнению с обычным в 2,5 раза большую интенсивность, значительно помогают водителю улучшить обзорность. Геометрия освещенного участка дороги также улучшается, поскольку пучок света фары, оснащенной ксеноновой лампой, шире. Немаловажным также является то, что «ксеноновый» свет в силу особенности своего спектрального состава позволяет водителю увидеть объекты, находящиеся на проезжей части и обочинах дороги (включая дорожные знаки) на значительно большем расстоянии.

Больший комфорт

Отличная видимость дорожной ситуации при любых погодных условиях дает водителю возможность избавиться от излишнего напряжения в процессе езды, которое сильно утомляет в условиях современного интенсивного дорожного движения. Перый довод-это спектр свечения ксеноновых ламп. Он намного ближе к естественному солнечному свету. Вторая причина-это вдвое большая сила света. Кстати даже в дождь и туман ксеноновые фары не создают перед Вашими глазами «световую стену». Лучи ксенонового света легко «пробивают» туман и освещают не капли дождя или тумана,а именно полотно дороги.

Меньшая температура лампы

Тут мы говорим не о цветовой температуре(спектре свечения),а именно о температуре самой лампы.. Поскольку у ксеноновой лампы значительно больший КПД по сравнению с обычной, она излучает гораздо меньше тепла. В цифрах это выглядит примерно так. Мощность «галогенки»-от 55Вт,а ксеноновой лампы-35Вт. При этом у ксеноновой лампы почти 40% энергии уходит в тепло, а у ксеноновой лампы всего лишь около 6%. Поэтому можно не бояться того,что при замене галогена на ксенон может расплавиться пластиковый отражатель или пластиковое стекло. Не стоит бояться и того,что облезет рефлектор. Главное-это квалифицированная установка…

Онлайн-кампус микроскопии ZEISS | Ксеноновые дуговые лампы

Введение

Ксеноновые и ртутные короткодуговые плазменные лампы обладают самой высокой яркостью и световым излучением среди всех непрерывно работающих источников света и очень близки к идеальной модели точечного источника света. В отличие от ртутных и металлогалогенных источников освещения ксеноновая дуговая лампа отличается тем, что она дает практически непрерывный и однородный спектр во всей видимой области спектра. Поскольку профиль излучения ксеноновой лампы имеет цветовую температуру примерно 6000 К (близкую к температуре солнечного света) и не имеет заметных линий излучения, этот источник освещения более выгоден, чем ртутные дуговые лампы, для многих применений в количественной флуоресцентной микроскопии. Фактически, в сине-зеленой (от 440 до 540 нанометров) и красной (от 685 до 700 нанометров) областях спектра 75-ваттная ксеноновая дуговая лампа ярче, чем сопоставимая 100-ваттная ( ГБО 100) дуговая ртутная лампа. Подобно ртутным лампам, ксеноновые дуговые лампы обычно обозначаются зарегистрированным товарным знаком как лампы XBO ( X для Xe или ксенона; B — символ яркости; O — принудительное охлаждение). представлена ​​научному сообществу в конце 1940-х гг. Популярная XBO 75 (75-ваттная ксеноновая дуговая лампа) более стабильна и имеет более длительный срок службы, чем аналогичная ртутная лампа HBO 100, но излучение видимого света составляет лишь около 25 процентов от общего светового потока, при этом большая часть энергия попадает в менее полезную инфракрасную область спектра. Приблизительно 70 процентов выходного сигнала ксеноновой дуговой лампы приходится на длину волны более 700 нанометров, в то время как менее 5 процентов выходного сигнала приходится на длину волны менее 400 нанометров. Чрезвычайно высокое давление ксеноновых ламп во время работы (от 40 до 60 атмосфер) уширяет спектральные линии, что приводит к гораздо более равномерному распределению возбуждения флуорофоров по сравнению с узкими и дискретными линиями излучения ртутных ламп. Таким образом, дуговая ксеноновая лампа больше подходит для строгих задач, требующих одновременного возбуждения нескольких флуорофоров в широком диапазоне длин волн в аналитической флуоресцентной микроскопии.

Несмотря на то, что ксеноновые лампы производят широкополосное, почти непрерывное излучение с цветовой температурой, близкой к солнечному свету в видимом диапазоне длин волн (часто называемом белым светом ), они демонстрируют сложный линейчатый спектр в диапазоне от 750 до 1000 нанометров ближнего света. -инфракрасный спектр (см. рис. 1). Кроме того, около 475 нанометров в видимой области существует несколько линий с более низкой энергией. В диапазоне от 400 до 700 нанометров примерно 85 процентов всей энергии, излучаемой ксеноновой лампой, приходится на континуум, тогда как около 15 процентов приходится на линейчатый спектр. Спектральный выход (цветовая температура) ксеноновой лампы не изменяется по мере старения устройства (даже до конца срока службы) и, в отличие от ртутных дуговых ламп, полный профиль излучения возникает мгновенно при включении. Мощность ксеноновой лампы остается линейной в зависимости от приложенного тока и может регулироваться для специализированных приложений. Кроме того, спектральная яркость не изменяется при изменении тока лампы. Типичная лампа XBO 75 производит световой поток примерно 15 люмен на ватт, но лампе требуется несколько минут после зажигания, чтобы достичь максимальной светоотдачи из-за того, что давление газа ксенона внутри колбы продолжает увеличиваться, пока она не достигнет конечной рабочей температуры. и достигает теплового равновесия.

Максимальное распределение яркости рядом с катодом в области дуги ксеноновой лампы XBO 75 (часто называемой горячей точкой или плазменным шаром ) составляет примерно 0,3 x 0,5 мм в размере и может рассматриваться для всех практических целей. для целей оптической микроскопии, точечный источник света, который будет производить коллимированные лучи высокой интенсивности при правильном направлении через систему конденсирующих линз в фонаре. В большинстве приложений флуоресцентной микроскопии свет, собранный от дуги ксеноновой лампы, отражается на точечном отверстии или задней апертуре объектива. Типичная контурная карта лампы XBO 75 показана на рис. 2(а), а распределение силы светового потока для той же лампы показано на рис. 2(б). На контурной карте яркость дуги наиболее интенсивна на кончике катода и быстро падает вблизи анода. Картина интенсивности потока (рис. 2(b)) демонстрирует, по большей части, превосходную вращательную симметрию вокруг лампы, но затенена электродами в областях, окружающих ноль и 180° на карте, где интенсивность резко падает. В ксеноновых дуговых лампах общая выходная мощность лампы составляет более 1000 нанометров в спектральной полосе пропускания, при этом на плазменную дугу и электроды приходится примерно половина общего излучения. Существенный вклад электродов обусловлен их большой площадью поверхности и высокими температурами. Большая часть излучения с более низкой длиной волны (по сути, видимый свет) исходит от плазменной дуги, тогда как на электроды приходится большая часть инфракрасного излучения (выше 700 нанометров). Свечение и интенсивность излучения, генерируемые дуговыми лампами, являются важными элементами для инженеров при проектировании оптики и стратегии охлаждения систем распределения света для применений в оптической микроскопии.

В таблице 1 представлены значения оптической выходной мощности типичного 75-ваттного источника света XBO после прохождения через оптическую систему микроскопа и выбранные наборы флуоресцентных фильтров. Мощность (в милливатт/см ² ) измеряли в фокальной плоскости объектива микроскопа (40-кратный сухой флюорит, числовая апертура = 0,85) с использованием радиометра на основе фотодиода. Для проецирования света через объектив в датчик радиометра использовалось либо зеркало с коэффициентом отражения более 95% от 350 до 800 нанометров, либо стандартный набор флуоресцентных фильтров. Потери светопропускной способности в системе освещения микроскопа могут варьироваться примерно от 50 до 99 процентов входной мощности, в зависимости от механизма соединения источника света и количества фильтров, зеркал, призм и линз в оптической цепи. Например, для типичного инвертированного микроскопа исследовательского класса, соединенного с ламповым блоком XBO на входе эпи-осветителя, менее 70 процентов света, выходящего из системы собирающих линз, доступно для возбуждения флуорофоров, расположенных в фокусе объектива. самолет.

Ориентация ксеноновой лампы имеет решающее значение для правильной работы и долговечности. В тех лампах, которые предназначены для вертикальной работы (до угла отклонения от оси 30), анод расположен вверху, а катод находится внизу в нижней части лампы. Эта конфигурация осесимметрична и обеспечивает отличные характеристики дуги. Напротив, лампы, предназначенные для горизонтальной работы (хотя они также могут работать и вертикально), создают дугу, требующую стабилизации, чтобы уменьшить преждевременный и ускоренный износ электродов. Горизонтальная работа лампы не отличается симметрией, присущей вертикальной работе лампы, хотя такая ориентация требуется для некоторых конструкций ламповых домов. Стабилизация дуги в горизонтальных лампах проще всего достигается с помощью стержнеобразных магнитов, установленных параллельно оси лампы, непосредственно под колпаком. Магнитное поле тянет дугу вниз, повышая стабильность, которую можно точно настроить, изменяя расстояние между магнитом и оболочкой. Изменение положения лампы путем поворота на 180 градусов в период полураспада лампы позволяет более равномерно распределить испарившийся электродный материал на внутренних стенках оболочки. Следует отметить, что разумным выбором является использование вертикальной ориентации ксеноновых ламп, когда это возможно, в конфигурациях флуоресцентной микроскопии.

Срок службы ксеноновой дуговой лампы в первую очередь определяется уменьшением светового потока из-за испарения вольфрама, который со временем осаждается на внутренней стенке колбы. Распад наконечника катода и воздействие ультрафиолетового излучения на кварцевую оболочку также способствуют старению лампы и стабильности. Частые возгорания лампы ускоряют износ электродов и приводят к преждевременному почернению оболочки. Почернение постепенно снижает светоотдачу и сдвигает спектральные характеристики в сторону более низкой цветовой температуры. Почернение лампы, которое увеличивает рабочую температуру оболочки из-за поглощения энергии излучаемого света, происходит медленно на ранних стадиях срока службы лампы, но быстро увеличивается на более поздних стадиях. Другими факторами, негативно влияющими на срок службы ксеноновой лампы, являются перегрев, слабый ток, пульсации источника питания, неправильное положение горения, чрезмерный ток и неравномерное почернение оболочки. Средний срок службы лампы (рассчитанный производителями) основан на периоде горения приблизительно 30 минут для каждого случая возгорания. Обычно считается, что окончанием срока службы лампы является точка, в которой мощность ультрафиолетового излучения снижается примерно на 25 %, нестабильность дуги возрастает более чем на 10 % или лампа вообще прекращает зажигание. Как правило, ксеноновые лампы следует заменять (даже если они еще способны зажечься), когда средний срок службы превышается на 25 процентов. 9Ксеноновая дуговая лампа Конструкция

Ксеноновые дуговые лампы изготавливаются со сферическими или эллипсоидальными оболочками, состоящими из плавленого кварца, одного из немногих оптически прозрачных материалов, способных выдерживать чрезмерные тепловые нагрузки и высокое внутреннее давление, воздействующее на материалы, используемые при изготовлении эти лампы. Для большинства применений в оптической микроскопии ксеноновые лампы обычно содержат кварцевый сплав, легированный соединениями церия или диоксидом титана для поглощения ультрафиолетовых длин волн, которые служат для образования озона во время работы. Типичный плавленый кварц пропускает свет с длиной волны до 180 нанометров, тогда как легирование стекла ограничивает излучение лампы длиной волны выше 220 нанометров. Ксеноновые лампы, оборудованные для работы без озона, часто обозначаются кодом 9.0005 ОФР для указания их класса. Подобно процессу изготовления ртутных ламп, кварц, используемый для корпусов ксеноновых ламп, изготавливается из трубок высочайшего качества, которые тщательно формируются на токарном станке в готовую колбу с помощью методов расширения воздуха. Во время работы корпус лампы может нагреваться до температуры от 500 до 700°С, что требует жестких производственных допусков для сведения к минимуму риска взрыва.

Анодные и катодные электроды в ксеноновых дуговых лампах изготавливают из кованого вольфрама или специальных вольфрамовых сплавов, легированных оксидом тория или соединениями бария для снижения работы выхода и повышения эффективности электронной эмиссии. В производстве ксеноновых дуговых ламп используются только самые чистые сорта вольфрама. Высококачественный вольфрам имеет очень низкое давление паров и гарантирует, что электроды ксеноновых ламп способны выдерживать чрезвычайно высокие температуры дуги (более 2000 C для анода), возникающие во время работы, и помогает свести к минимуму накопление отложений на оболочке. Из-за сложности обработки электродов с такими высокочистыми сортами вольфрама на протяжении всего процесса требуются керамические инструменты, чтобы избежать попадания загрязняющих веществ. После изготовления катод припаивается к молибденовому стержню или пластине для поддержки, но стержень анода состоит из твердого вольфрама, поскольку он подвергается гораздо более высоким температурам из-за постоянной бомбардировки электронами, испускаемыми катодом. Оба электрода проходят ультразвуковую очистку и термообработку для удаления остатков смазки и загрязнений перед их герметизацией в колбе лампы.

Значительное внимание уделялось конструкции катодов ксеноновых ламп, направленной на повышение стабильности дуги во время работы. В обычных лампах с вольфрамовыми электродами, легированными торием, точка испускания дуги на катоде периодически смещается из-за локализованных изменений эмиссии электронов с поверхности, явление, известное как отклонение дуги (см. рис. 3(a)). Этот артефакт, усиливающийся по мере износа наконечника, приводит к мгновенным колебаниям яркости лампы, называемым 9.0005 вспыхивает , когда дуга перемещается в новую область на катоде (рис. 3(b)). Дуга флаттер описывает быстрое боковое смещение столба дуги за счет конвекционных потоков, возникающих при нагревании газообразного ксенона дугой и охлаждении внутренними стенками оболочки (рис. 3(с)). Кроме того, острые наконечники катодов, легированных торием, изнашиваются быстрее, чем катоды, изготовленные из современных сплавов оксидов редкоземельных элементов. Лампы с усовершенствованной катодной технологией часто называют сверхтихий и продемонстрировали высокую кратковременную стабильность дуги менее чем на полпроцента, а также снижение скорости дрейфа менее 0,05 процента в час работы. Долгосрочный анализ высокоэффективной работы катода показывает, что износ значительно снижается, а смещение точки дуги в течение среднего срока службы лампы практически исключено. В результате, после того, как сверхтихая ксеноновая лампа первоначально выровнена с другими элементами оптической системы микроскопа, как правило, нет необходимости в повторной регулировке положения в течение всего срока службы лампы.

На этапах герметизации сборки лампы катод и анод крепятся к полоскам очень тонкой молибденовой ленты с помощью ступенчатого уплотнения, которое компенсирует разницу в тепловом расширении между кварцевой трубкой и металлическими стержнями электродов. Функциональное уплотнение создается путем термопрессования кварцевой трубки с молибденовой фольгой на токарном станке, находящемся под вакуумом для предотвращения окисления. Высокие температуры сжатия позволяют расплавленному кварцу разрушаться вокруг молибденовой фольги, образуя газонепроницаемое уплотнение. После запайки электродов в корпусе кварцевой лампы и отжига сборки для снятия деформации в оболочку загружается высокочистый (99,999 процента) газообразного ксенона до давления 10 атмосфер через наполнительную трубку, прикрепленную к колбе колбы. Затем лампу охлаждают жидким азотом для затвердевания газообразного ксенона и удаляют наполнительную трубку, чтобы полностью запечатать оболочку. После возврата к комнатной температуре готовая лампа подвергается давлению, поскольку ксенон возвращается в газообразное состояние.

Заключительный этап процесса сборки ксеноновой лампы состоит из добавления никелированных латунных наконечников, называемых наконечниками или оснований на каждом конце колбы. Наконечники, которые должны выдерживать температуру до 300°C, выполняют двойную функцию, действуя как электрические соединения с источником питания, а также как механическая опора для точной фиксации лампы в правильном оптическом положении внутри фонаря. Многие конструкции наконечников включают в себя гибкий подводящий провод внутри основания, который соединяется с герметичными электродами, чтобы исключить возможность отказа лампы из-за напряжения или деформации между стержнем электрода и латунным наконечником. Феррулы крепятся к запаянным концам кварцевой оболочки с помощью углеграфитовой ленты или термостойкого клея. Пассивированное компрессионное кольцо также используется для обеспечения плотного соединения между наконечниками и оболочкой. После установки наконечников провод розжига наматывается на кварцевую оболочку по краям колбы эллиптической формы (см. рис. 2). Проволока состоит из тонкого чистого никеля и служит для создания локализованного электрического поля внутри оболочки, чтобы способствовать стимуляции ионизации электронов и потока при включении лампы. 9Ксеноновые лампы и источники питания

Конструкция ламп для ксеноновых дуговых ламп имеет решающее значение для долговечности и рабочих характеристик лампы. Важнейшим из конструктивных соображений является тот факт, что эти лампы работают при чрезвычайно высоком внутреннем давлении (обычно более 50 атмосфер), поэтому при выборе конструкционных материалов следует учитывать возможность взрыва. Поскольку дуговые лампы расширяются из-за избыточного тепла, выделяющегося при работе, к корпусу следует жестко прижимать только один конец лампы; другой конец можно закрепить гибкой металлической полосой или накрыть радиатором и присоединить к соответствующей внутренней электрической клемме кабелем (см. рис. 4). Ксеноновые лампы должны иметь достаточное охлаждение, чтобы ксеноновые лампы могли работать при температуре менее 750°С на поверхности оболочки и менее 250°С у основания. Чрезмерно высокие температуры быстро приводят к окислению выводов электродов, ускоренному износу оболочки и повышают вероятность преждевременного выхода лампы из строя. В случае ламп малой мощности (менее 250 Вт) обычно достаточно конвекционного охлаждения в хорошо проветриваемом помещении лампы, но для ламп большей мощности часто требуется охлаждающий вентилятор. Высокие напряжения срабатывания (от 20 до 30 кВ), необходимые для зажигания ксеноновых ламп, требуют использования качественных изоляционных материалов в электропроводке фонаря, а кабель питания должен выдерживать напряжение свыше 30 кВ. Кроме того, кабель питания должен быть как можно короче, развязан и находиться вдали от корпуса микроскопа и других металлических инструментов (таких как компьютеры, контроллеры фильтров и цифровые камеры) в непосредственной близости.

Большинство высокоэффективных ксеноновых фонарей имеют внутреннее отражающее зеркало, соединенное с системой линз выходного коллектора, которая создает коллимированный световой пучок высокой интенсивности. Конструкции собирающих отражателей варьируются от простых вогнутых зеркал до сложных эллиптических, сферических, асферических и параболических геометрических форм, которые более эффективно организуют и направляют излучение лампы на собирающую линзу, а затем через микроскоп. Использование гальванического конического отражателя может обеспечить номинальную эффективность сбора до 85 процентов, что является значительным улучшением по сравнению с обычными системами обратного отражателя, которые имеют эффективность в диапазоне от 10 до 20 процентов. Специализированные отражатели могут быть легко разработаны с помощью простых методов трассировки лучей. Покрытия на всех собирающих зеркалах должны быть дихроичными, чтобы пропускать инфракрасные (тепловые) волны. Ксеноновые лампы также выигрывают от наличия фильтров, блокирующих инфракрасное излучение, таких как Schott BG38 или BG39. стеклянный фильтр и/или горячее или холодное зеркало (в зависимости от передаваемой или отражаемой длины волны) для ослабления или блокирования инфракрасных длин волн и защиты образца (живых клеток) от избыточного тепла. Кроме того, твердотельные детекторы в электронных камерах, особенно в формирователях изображения на ПЗС, также особенно чувствительны к инфракрасному свету, который может затуманивать изображение, если на пути света не установлены соответствующие фильтры.

Ксеноновые лампы обычно имеют стандартную конфигурацию с дуговой лампой, расположенной в фокусе линзы коллектора, так что волновые фронты, выходящие из источника, собираются и примерно коллимируются, выходя из лампы в виде параллельного пучка (рис. 4). Рефлектор также расположен на той же оси, что и лампа и коллектор, чтобы гарантировать, что перевернутое виртуальное изображение дуги может быть создано рядом с лампой. Свет от отраженного виртуального изображения также собирается собирающей линзой, что увеличивает мощность освещения. Вторая система линз (называемая конденсор ), расположенный внутри осветителя микроскопа, необходим для того, чтобы сфокусировать параллельные лучи, выходящие из корпуса лампы, в задней фокальной плоскости объектива. Как правило, фокусное расстояние системы конденсирующих линз намного больше, чем фокусное расстояние коллектора, в результате чего увеличенное изображение дуги проецируется на заднюю фокальную плоскость объектива. Конечным результатом является то, что свет, выходящий из передней линзы объектива и направляющийся к образцу, идет примерно параллельно, что обеспечивает равномерное освещение поля зрения. Обратите внимание, что во время выравнивания фонаря свет, собранный собирающим отражателем, не должен быть непосредственно сфокусирован на стенках оболочки лампы (вблизи дуги), чтобы избежать прямого нагрева колбы ее собственным излучением. Это действие приведет к чрезмерному нагреву лампы. Вместо этого расположите виртуальное изображение дуги с одной или с другой стороны лампы.

Одно из основных требований к использованию ксеноновой дуговой лампы для количественной флуоресцентной микроскопии заключается в том, что выходное излучение должно быть стабильным. Выходная интенсивность излучения ксеноновой лампы приблизительно пропорциональна току, протекающему через лампу. Таким образом, для обеспечения максимальной стабильности блок питания должен быть тщательно спроектирован. Источники питания дуговых ламп также должны иметь пусковое устройство для зажигания лампы. На рисунке 5 показана принципиальная схема типичного стабилизированного источника питания для ксеноновой дуговой лампы. Помимо питания лампы стабильным постоянным током ( DC ), источник питания также заряжается с поддержанием катода при оптимальной рабочей температуре с использованием определенного уровня тока. Схема стабилизации источника питания ксеноновой дуговой лампы, в зависимости от конструкции, может стабилизировать напряжение, ток или общую мощность (напряжение x ток). Если напряжение стабилизируется, ток (и яркость лампы) будет медленно уменьшаться по мере распада электродов. Напротив, если ток стабилизирован, лампа будет продолжать излучать на постоянном уровне до тех пор, пока электроды не достигнут критической точки износа, при которой лампа не сможет зажечься. С другой стороны, поскольку для поддержания фиксированного тока требуется возрастающее напряжение, мощность, подаваемая на дугу, медленно увеличивается по мере износа электродов, что может привести к перегреву и возможности взрыва. В источниках питания, которые стабилизируют общий уровень мощности, светоотдача будет медленно падать с увеличением тока по мере увеличения напряжения, необходимого для поддержания дуги.

Когда дуговые лампы холодные (по сути, при комнатной температуре), они действуют как электрические изоляторы, и газообразный ксенон, окружающий электроды, необходимо сначала ионизировать, чтобы инициировать и установить дугу. В большинстве конструкций источников питания зажигание осуществляется с помощью высоковольтных всплесков (30–40 кВ) от вспомогательной цепи, создающей разряд между электродами. Специализированная схема часто упоминается как триггер или воспламенитель , потому что она подает мгновенный высокочастотный импульс на ламповую нагрузку посредством индуктивной связи (см. рис. 5). После образования дуги ее необходимо поддерживать постоянным источником тока от основного источника питания, величина которого зависит от параметров лампы. Типичная лампа XBO мощностью 75 Вт работает при напряжении 15 вольт и силе тока от 5 до 6 ампер, но эти цифры зависят от производителя и увеличиваются с увеличением мощности лампы. Обратите внимание, что лампа XBO работает при значительно более высоком токе, чем можно было бы ожидать при относительно низком напряжении, которое определяется размером дугового промежутка, давлением ксенона и рекомендуемой рабочей температурой. Пульсации тока от источника питания должны быть сведены к минимуму, чтобы обеспечить длительный срок службы дуговой лампы. Таким образом, качество постоянного тока, используемого для питания лампы, должно быть высоким, а пульсации должны быть менее 10 процентов (полный размах) для ксеноновых ламп мощностью до 3000 Вт.

Специализированные ксеноновые лампы, выпускаемые производителями вторичного рынка, часто включают опции выбора длины волны и связывают выходной сигнал с оптическим волокном или жидким световодом для передачи на оптическую систему микроскопа для высокоэффективного освещения в выбранных областях спектра. Примеры включают Lambda LS (Sutter Instrument), который включает ксеноновую лампу, холодное параболическое зеркало и источник питания в одном корпусе, соединенном с жидким световодом. В Lambda LS можно установить внутренний фильтрующий элемент, фильтрующие вставки и второй внешний фильтрующий элемент. Более совершенный и быстрый прибор от Sutter, DG-4, способен обеспечивать скорость переключения длин волн в диапазоне 1-2 миллисекунды, используя конструкцию двойного гальванометра, соединенную со стандартными интерференционными фильтрами. Свет от ксеноновой дуговой лампы фокусируется на первом гальванометре, который путем отражения от параболического зеркала направляет его на интерференционный фильтр. Затем отфильтрованный свет проходит через второе параболическое зеркало и гальванометр, прежде чем попасть в жидкий световод. Холодное зеркало, расположенное перед световодом, исключает попадание инфракрасного излучения на оптическую систему микроскопа. Другие производители также производят аналогичные ксеноновые осветители, многие из которых имеют выбор длины волны и световые затворы.

Соавтор

Michael W. Davidson – Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 East Paul Dirac Dr., The Florida State University, Tallahassee, Florida, 32310.

Back to Microscope Light Sources

7 A 9 Руководство по выбору ламп | Октябрь 2010 г.

Трэвис Игучи, Самир Патель и Маридель Ларес, Hamamatsu Corp.

По мере того, как продолжается эволюция зеленого света, светодиоды (LED) заменяют традиционные источники света во многих приложениях. Однако для приложений, требующих диапазонов длин волн, которые не могут соответствовать монохроматическому выходу светодиода, дуговые лампы по-прежнему являются более подходящим выбором. Лампы охватывают более широкий диапазон длин волн, и их главной особенностью является высокоинтенсивное излучение в УФ-диапазоне, не охватываемом современными светодиодами. В этой статье мы обсудим основные свойства различных типов ламп — ксеноновых (Xe), ртутно-ксеноновых (HgXe) и дейтериевых (D2) ламп непрерывного действия и ксеноновых ламп-вспышек — и примеры их применения, чтобы помочь вам сделать информированное решение при выборе светильников.

Важные параметры для выбора лампы

Рисунок 1: Спектральные диапазоны различных типов ламп.

При выборе лампы важно учитывать длину волны, интенсивность света, уровень стабильности и ожидаемый срок службы, необходимые для применения. Требуемый диапазон длин волн часто сужает выбор ламп. Некоторые лампы охватывают небольшую часть электромагнитного спектра, в то время как другие охватывают более широкий диапазон (рис. 1). Например, дейтериевые лампы излучают в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, а ксеноновые и ртутно-ксеноновые лампы излучают в диапазоне от УФ до инфракрасного (ИК).

Интенсивность света — еще одна важная характеристика, которую необходимо учитывать, а также необходимо ли непрерывное или импульсное освещение. Интенсивность лампы в основном пропорциональна входной мощности. Чем выше входная мощность, тем выше интенсивность. Однако импульсные источники света, такие как ксеноновые лампы-вспышки, могут обеспечивать очень интенсивный световой поток в течение нескольких микросекунд, что примерно в 1000 раз выше, чем у ламп непрерывного действия. Это делает импульсное освещение подходящим для приложений, требующих высокой выходной мощности в течение короткого времени.

Стабильность выходного сигнала лампы — очень важный параметр, так как он влияет на точность и надежность измерений. На стабильность лампы влияют несколько факторов. Температура, мощность источника питания, конструкция корпуса и положение внутри дуги влияют на стабильность ксеноновых, ртутно-ксеноновых и дейтериевых ламп. Напряжение разряда лампы, рабочая частота, основной разрядный конденсатор и положение внутри дуги влияют на стабильность ксеноновой импульсной лампы.

Срок службы лампы влияет на расходы на техническое обслуживание и эксплуатацию оборудования, в котором установлена ​​лампа. Использование лампы с более длительным сроком службы снижает затраты на техническое обслуживание и время, затрачиваемое на замену и юстировку ламп.

Ксеноновые и ртутно-ксеноновые лампы

Ксеноновые и ртутно-ксеноновые лампы имеют обращенные друг к другу катодный и анодный электроды в стеклянной колбе, заполненной газом. Ксеноновые лампы содержат газ ксенон высокой чистоты, а ртутно-ксеноновые лампы содержат смесь газообразного ксенона и ртути. Эти лампы излучают дуговым разрядом.

Ксеноновые лампы излучают широкий спектр от УФ до ИК (185-2000 нм), аналогичный солнечному свету. Они имеют высокую интенсивность выходного сигнала, высокую стабильность и длительный срок службы. Например, ксеноновые лампы Hamamatsu мощностью 75 Вт и 150 Вт (серии L10725 и L11033) имеют гарантированный срок службы 2000 и 3000 часов соответственно. Ксеноновые лампы являются подходящими источниками света для имитаторов солнечного излучения, спектрометров, систем контроля пластин, микроскопов и других устройств.

Ртутно-ксеноновые лампы излучают широкий спектр от УФ до ИК (185-2000 нм) с резкими пиками в УФ и видимой области, соответствующими спектральным линиям ртути. Острые пики излучения делают ртутно-ксеноновые лампы более подходящими, чем ксеноновые лампы, для применений, требующих высокой интенсивности в УФ-диапазоне, таких как УФ-отверждение. Другие особенности ртутно-ксеноновых ламп включают высокую выходную мощность, высокую стабильность и длительный срок службы. Они являются подходящими источниками света для систем контроля пластин, систем измерения толщины пленки, микроскопов, УФ-отверждения и других приложений.

Рисунок 2: Сравнение катодной эрозии.

При использовании ксеноновых или ртутно-ксеноновых ламп следует помнить о некоторых моментах, включая время прогрева, характеристики источника питания и эрозию катода. После включения лампы требуется период прогрева в течение нескольких минут для достижения максимальной светоотдачи, поскольку давление газа внутри лампы должно сначала достичь равновесия.

Эти лампы работают от источника постоянного тока и требуют очень стабильного сетевого питания и источника питания для обеспечения стабильной работы лампы. Основной источник питания должен быть стабильным, чтобы подавать на лампу оптимальный ток и поддерживать оптимальную температуру катода. Если температура катода слишком низкая, катод разбрызгивается, что приводит к сокращению срока службы лампы. Если слишком высокое, катод испаряется слишком быстро.

Эрозия катода вызывает беспокойство, поскольку вызывает колебания и постепенное перемещение точки дуги в зависимости от времени работы, что влияет на стабильность лампы. Однако улучшенные электродные материалы практически устраняют эту проблему. Например, в ксеноновых и ртутно-ксеноновых лампах Hamamatsu используется специальный материал катода, который приводит к незначительной эрозии даже после 1000 часов работы, в отличие от обычных ламп без этой технологии (рис. 2).

Дейтериевые лампы

Дейтериевые лампы содержат газообразный дейтерий и излучают ультрафиолетовый свет; диапазон длин волн зависит от материала стекла лампы. Лампы излучают только в одном направлении, в отличие от ксеноновых и ртутно-ксеноновых ламп, излучающих во всех направлениях. Они широко используются в спектрометрах, ВЭЖХ (высокоэффективной жидкостной хроматографии), анализаторах окружающей среды и других приложениях. Для применений, требующих длин волн вакуумного УФ (ВУФ), доступны дейтериевые лампы с длиной волны до 115 нм. Например, блок ВУФ-излучения Hamamatsu S2D2 (L10706) может быть установлен и работать в условиях пониженного давления для ВУФ-спектроскопии, фотоионизации и других применений.

Ключевой характеристикой дейтериевых ламп является их превосходная стабильность по сравнению с другими типами ламп (рис. 3). Например, дейтериевые лампы Hamamatsu демонстрируют очень небольшие колебания выходной мощности от лампы к лампе, а отдельные лампы имеют низкие значения колебаний (кратковременная стабильность) и дрейфа (долговременная стабильность). Модуль дейтериевой лампы Hamamatsu S2D2 (серия L10671), например, демонстрирует типичную флуктуацию 0,005% (от пика к пику) и максимальное значение дрейфа ±0,25%/час. Такая стабильность обусловлена ​​керамической структурой электрода, которая обеспечивает стабильность работы лампы даже при колебаниях температуры окружающей среды. Дейтериевые лампы также имеют долгий срок службы и высокую яркость, и в настоящее время они разрабатываются, чтобы быть еще ярче. Например, новые лампы Hamamatsu X2D2 имеют вдвое большую яркость, чем обычные дейтериевые лампы. Использование лампы высокой яркости помогает прибору иметь высокое разрешение и высокую пропускную способность.

Рисунок 3: Сравнение значений колебаний (показатель кратковременной стабильности) различных типов ламп Hamamatsu. Чем меньше значение, тем стабильнее лампа.

При использовании дейтериевых ламп следует помнить о некоторых вещах, включая характеристики источника питания, периоды прогрева и размер апертуры. Так же, как ксеноновые и ртутно-ксеноновые лампы, дейтериевые лампы нуждаются в очень стабильном источнике питания для обеспечения оптимального тока и поддержания оптимальной температуры лампы. Им также требуется период прогрева, чтобы лампа достигла теплового равновесия.

Еще один момент, который следует учитывать, — это размер апертуры. Размер апертуры дейтериевой лампы влияет на интенсивность светового потока, но существует компромисс между размером апертуры и сложностью настройки. Дейтериевые лампы с малым размером апертуры (например, 0,5 мм) светят ярче, чем лампы с большей апертурой (например, 1,0 мм), но их труднее настроить в оптической системе.
Ксеноновые лампы-вспышки

Ксеноновые лампы-вспышки представляют собой компактные импульсные источники света, излучающие от УФ до ИК (160–2000 нм). Они подходят для многих приложений, включая медицинский анализ, анализ окружающей среды, биологические исследования и автоматизацию производства. По сравнению с лампами непрерывного действия они выделяют меньше тепла и не повреждают образцы. Также они не требуют периода прогрева; они готовы к использованию при включении. Однако они имеют более низкую стабильность, чем другие лампы.

Рис. 4. Импульсы ксеноновой вспышки при различных основных разрядных конденсаторах.

При использовании ксеноновой лампы-вспышки необходимо помнить о некоторых моментах. Для работы ксеноновой лампы-вспышки требуется триггерное гнездо и источник питания. Доступны простые в использовании модули, объединяющие все три элемента, такие как серии Hamamatsu L9455 и L11035. Во-вторых, следует использовать экранирование для предотвращения электрических помех.

Третий момент, о котором следует помнить, заключается в том, что конденсатор источника питания влияет на выходную мощность и длительность импульса лампы-вспышки (рис. 4). Чем больше конденсатор, тем выше интенсивность. Из-за различий в электрической емкости конденсаторов конденсатор большего размера также генерирует более длинную форму импульса вспышки. Примеры приложений

Лампы используются во многих областях, включая медицину, промышленность, аналитику и другие. Примеры применения и подходящие лампы обсуждаются ниже.

Медицинское применение

В медицине лампы используются в таких инструментах, как эндоскопы и анализаторы крови. Для эндоскопов подходящим источником света является ксеноновая лампа. Его высокой выходной мощности достаточно для освещения просматриваемой области, а постоянный световой поток позволяет получать четкие изображения. Для анализаторов крови подходящими источниками света являются дейтериевые лампы и ксеноновые лампы-вспышки. Они имеют высокую яркость и долгий срок службы, и каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. Дейтериевая лампа имеет очень высокую стабильность, но ей требуется 20-30-минутный период прогрева. Ксеноновая импульсная лампа обеспечивает высокую интенсивность за короткий промежуток времени и не выделяет столько тепла, что не влияет на образцы. Однако она гораздо менее стабильна, чем дейтериевая лампа.

Промышленное применение

Лампы используются в промышленных приложениях, таких как системы контроля пластин и оборудование для УФ-отверждения. Ксеноновые или ртутно-ксеноновые лампы подходят для систем контроля пластин, поскольку лампы имеют высокую выходную мощность, хорошую стабильность и длительный срок службы. Ртутно-ксеноновые лампы используются для УФ-отверждения, потому что многие отверждаемые УФ-излучением эпоксидные смолы, клеи, покрытия и чернила высушиваются с использованием УФ-излучения, соответствующего спектральным линиям ртути.

Аналитические и другие приложения

В некоторых аналитических приборах в качестве источников света используются лампы. В системах ВЭЖХ и мониторах загрязнения используются дейтериевые лампы, высокая стабильность которых помогает обеспечить высокую точность и надежность измерений. Для анализаторов цвета подходящим источником света является ксеноновая импульсная лампа. К его преимуществам относятся низкое тепловое воздействие на образцы и мгновенное измерение после включения.

Симуляторы солнечной энергии используются для проверки работоспособности солнечных элементов и испытаний материалов на деградацию, а также в фотохимических и фотобиологических исследованиях.