Led e Microscopi

[Enotria]

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Sempre più spesso l’illuminazione dei microscopi è attuata con l’utilizzo di led e questo sia si tratti di prodotti nuovi, sia di sostituire il led in un vecchio microscopio che prevedeva l’utilizzo della classica lampada ad incandescenza.

Certamente, rispetto alle lampadine, il led porta diversi vantaggi, ma dobbiamo stare attenti che può anche essere causa di qualche nuovo problema.

Se ricordate, le vecchie lampade per microscopia le abbiamo abbandonate anche perché costavano molto ed erano spesso introvabili. Perché ?
Come tutte le sorgenti di luce che devono essere concentrate e proiettate, è indispensabile che emettano la luce non da una superficie, ma da un singolo punto, che deve anche essere il più piccolo possibile. Questa necessità portava all’utilizzo di filamenti estremamente compatti, e quindi costosi da ottenere e delicati nel loro funzionamento.

Lampada alogena da ben 100W, ma con il filamento raccolto in un paio di millimetri.

Ricordate le vecchie raccomandazioni tipo: “mai spostare il proiettore delle diapositive mentre è acceso o surriscaldato, altrimenti il filamento si brucerà all’istante”.
Certamente, la costruzione di un filamento molto compatto concentrava talmente il calore da mantenere la sua temperatura al limite della fusione e quindi, fragilissimo.

E con i led cosa succede ?

Naturalmente i principi dell’Ottica sono uguali per tutti e quindi anche per loro vale lo stesso principio: la superficie che emette materialmente la luce deve essere la più piccola possibile, meglio se puntiforme.
Ed allora come la mettiamo con quei led che, per erogare una notevole potenza, montano diverse giunzioni in serie/parallelo, fino a formare una vera e propria superficie luminosa, non un singolo punto.

Led da 50W, la superficie, formata da molte giunzioni, è di diversi cmq.

Semplice, non possiamo usarli, per lo meno non per i nostri microscopi: possono andare bene solo per l’illuminazione diffusa di ambienti, ma NON quando la luce emessa deve essere concentrata per fare determinati percorsi e per attraversare determinate lenti.

Il motivo di questa limitazione è semplicissimo e se ricreiamo la situazione al Banco Ottico, lo possiamo notare immediatamente.

Simulazione al banco ottico di led ad una o più giunzioni.

Nella situazione superiore abbiamo un led a singola giunzione e vediamo che questa può essere effettivamente assimilata ad una sorgente puntiforme, per cui se la poniamo nel punto di fuoco della lente concentratrice, otteniamo un bel fascio luminoso regolare e non disperso, che potrà venire inviato allo specchio deflettore e quindi illuminare regolarmente il condensatore.

Ma subito sotto vediamo cosa succede se il led ha invece più giunzioni: ciascuna diventa una sorgente indipendente, una sola può essere messa a fuoco, tutte le altre diffondono luce in modo assolutamente incontrollabile, eliminandosi a vicenda quando va bene, creando decine di riflessi nel peggiore dei casi.
Notate anche che, essendo le giunzioni allineate fra loro, lungo il percorso luminoso si creano figure di interferenza regolari, con alternati anelli luminosi ed anelli neri: una specie di disco di Airy che si ripete con regolarità lungo il percorso della luce.

Ma che bello ! Ed allora come rimediamo ?

La prima considerazione da fare è quella di NON ricercare la potenza ad ogni costo: se poi la dobbiamo disperdere in riflessi interni è inutile o controproducente.
La seconda considerazione è di NON utilizzare i led a giunzioni multiple o, quanto meno, cerchiamo quelli con la superficie irradiante più piccola possibile.



Altra considerazione sui led riguarda la distribuzione nello spazio della luce che producono.

Le lampadine vecchio stile facevano luce davanti e dietro, uno specchio concavo provvedeva poi a rispedire i raggi posteriori di nuovo in avanti, verso la lente del collettore che doveva renderli tutti paralleli e quindi utilizzabili.

Ma il led, dove manda la sua luce ?

Fascio luminoso di led 10mm 1W, notare l'emissione principale a 30° e quella secondaria a 130°

Non certo dietro, quindi ci risparmiamo lo specchio, tutta in avanti, ma come ?

Non è ben chiaro il perché, ma molti preferiscono utilizzare led con il fascio luminoso molto concentrato, forse pensano che così avranno un campo ben illuminato, sfruttando al massimo tutta la luminosità emessa dal led.

Tale logica alle volte funziona, dipende dalla lunghezza focale della lente collettrice, ma molto più spesso il risultato sarà una antipatica macchia chiara al centro della fotografia.

E’ un classico difetto che fa disperare il microscopista che ha appena montato l’illuminazione a led sul suo microscopio. Meno visibile se si osserva direttamente, diventa estremamente fastidiosa nelle fotografie, specie se sottoesposte.

La causa di questo inconveniente, se non è dovuta a difetti ottici di allineamento o a riflessi, è spesso imputabile al tipo di led che abbiamo utilizzato per l’illuminazione, o meglio, al loro modo di diffondere la luce nello spazio.

Normalmente l’angolo di emissione di un led va dai 120° per quelli piatti, tipo star per intenderci, ai 30° dei led classici mono giunzione da 3, 5 e 10 mm.
Il collettore è invece predisposto per utilizzare i raggi di luce da 150° circa in giù, dipende dalla lunghezza focale della sua prima lente.

Di conseguenza, i led tipo star difficilmente danno problemi in tal senso, eventualmente, per aumentare ancora un po’ l’angolo di emissione, potete eliminare la sottile lente di plastica che li ricopre, ma attenti a non rovinare la gomma gialla sottostante.

Diodi led modificati per aumentare la diffusione della luce.

Per i diodi led di forma classica, la calotta curva fa da lente, per cui molto facilmente può creare problemi.
Oltre tutto i recenti led da 10mm da 1W di potenza sono comodissimi, ma per usarli in microscopia è meglio sottoporli ad un semplice trattamento: il taglio della calotta.
Per farlo il sistema più semplice è fermare in morsa la calotta e, con un seghetto, tagliare via la testa.
Anzi, vedremo che più tagliate, meglio è.
Dopo di che lo si può lisciare sfregandolo su carta vetrata, fino ad eliminare i segni del taglio.

Diodi led semplici da 10mm 1W con la calotta tagliata a diverse altezze.

In questa prova ho voluto vedere come cambiava il flusso luminoso a seconda di come operavo il taglio della calotta.

Presi quattro led da 10mm 1W, uno è rimasto intatto, l’altro è stato tagliato appena sotto alla calotta, il terzo appena sopra alla giunzione, il quarto è stato prima amputato della sola calotta, poi forato con una punta da 6mm che ha scavato fino a pochi millimetri dalla giunzione.
Messi tutti i led nelle stesse condizioni, li ho fotografati evidenziando il flusso luminoso e la sua distribuzione sul piano.

Diversa distribuzione della luce a seconda del taglio della calotta.

Il led normale crea una forte zona centrale molto illuminata, poi, la emissione periferica, illumina in modo molto meno efficace la restante superficie.

Il led tagliato lungo distribuisce la luce in modo molto più uniforme, quasi perfetta, peccato solo che la zona centrale può risentire di un leggero calo di luminosità. Si può fare di meglio.

Il taglio corto, vicino alla giunzione, ha dato il risultato migliore, con una ottima ed omogenea dispersione della luminosità e senza alcun calo centrale.

La cavità interna al led distribuisce la luce in modo abbastanza uniforme, ma di nuovo si ripresenta il problema della zona centrale poco illuminata.

Una considerazione generale è poi che il led non tagliato ha una doppia zona di emissione che viene captata dalla lente collettrice: il primo a 30° circa che è quello principale e che illumina fortemente la parte centrale del campo inquadrato al microscopio, ma ha anche una seconda emissione, molto più aperta (circa 125°), che illumina in modo uniforme tutto il campo.
Questa doppia emissione è proprio quella che può causare la famosa macchia luminosa al centro delle nostre foto, rovinandole in modo irreparabile.

Si può invece notare che il taglio della calotta elimina, in tutti i casi, l’emissione secondaria, portandola ad un angolo di 180° ed oltre, quindi non più utilizzabile in alcun modo dalla lente del sistema collettore.

[GIANNI MERLINI]

Grazie Andrea, per questo post, interessantissimo anche per me, che non mi occupo di microscopia ma amo il fai da te!

[alien1]

Salve
complimenti per il test

[Faber]

Interessante disquisizione Enotria, ne farò tesoro.
Un saluto
Fabio

[Dante]

Grazie Andrea!

[Enotria]

Ben felice che vi sia piaciuto.

[500paolo]

Senza polemica, ma non basta interporre un filtro frosted? Lo si fa anche per la lampadina che comunque non e' puntiforme e si vedrebbe filamento.
Io uso un a matrice led da 10watt (3led x 3led) e con questo sistema non ho alcuna ombra, macchia o sdoppiamenti dei particolari.

[Enotria]

L'inserimento del vetro smerigliato lungo il percorso ottico della illuminazione è un rimedio molto usato dai costruttori di microscopi se non è possibile o, per motivi di economia, non si vuole, curare in modo adeguato il sistema di illuminazione.

Lo troviamo infatti negli illuminatori semplici ed economici, in quanto la sua dispersione "diluisce" qualsiasi difetto di omogeneità.

Purtroppo è una soluzione che porta anche diversi inconvenienti, il più grave è l'aumento della luminosità dispersa ed inutilizzata, con conseguente diminuzione del contrasto.

Per questo motivo, le ditte più serie, prevedono sempre la possibilità di rimuovere facilmente tale filtro, sia per recuperare il contrasto perso, sia per rendere visibile il filamento quando facciamo l'allineamento del nostro microscopio.

Al riguardo, può essere problematico l'allineamento quando ad essere smerigliata è la superficie interna della lente collettrice, per cui è impossibile rimuovere la smerigliatura.
In questi casi, un trucco utilizzabile è quello di cospargere di olio da immersione la lente, in modo da annullare l'effetto dispersione. Dopo, fatto l'allineamento, si provvede poi a pulire con solvente la superficie.

Una ultima raccomandazione: se proprio non potete fare a meno di inserire la lamina smerigliata, fatelo almeno dove da meno danno, quindi fra lampada e lente collettrice, non dopo, lungo il percorso della luce o, peggio, sul diaframma di campo.


Infine, per completare l'argomento:

Per tutti questi motivi, l'omogeneità d’illuminazione fornita da una microlampada di Köhler non è sempre perfetta. Per rimediare a ciò, molti costruttori interpongono nel cammino ottico un diffusore, generalmente del tipo del vetro smerigliato, oppure rendono smerigliata una delle superfici delle parti in vetro, generalmente del collettore stesso.
Una superficie smerigliata crea sempre una certa perdita fotometrica, se non altro poiché il fascio diffuso occupa un forte angolo solido, in teoria tutto lo spazio, e solo una parte del fascio diffuso può venir recuperata; però è possibile ridurre la perdita se la superficie smerigliata si trova fra filamento e collettore, in uno spazio dove, comunque, il fascio utile è a forte apertura.
Il vetro smerigliato ha poi un altro inconveniente: non è omogeneo, ha una sua “grana”, una granulosità legata alla rugosità della superficie. Può accadere che tale rugosità risulti più o meno a fuoco assieme all’oggetto: si ha un’inomogeneità a piccola scala. Se ciò avviene, le cause sono due: o il costruttore ha messo il diffusore in una posizione scorretta, e qui è difficile porre rimedio, o il condensatore non è ben focalizzato. In questo caso, un ritocco dell’altezza del condensatore eliminerà il problema.
Per tutti questi motivi, è bene che il vetro smerigliato sia estraibile. Specialmente ai forti ingrandimenti, esso può diventare dannoso per via della perdita di illuminamento nell’immagine e del resto, proprio ai forti ingrandimenti, il problema dell’omogeneità su larga scala è meno sentito poiché il campo è piccolo."
Da G.P. Sini "Il campo illuminato del microscopio"

[Guido Gherlenda]

Concordo al 100% con Enotria, il filtro smerigliato lo inserisco solo quando voglio diminuire il contrasto e dare un aspetto più morbido alle immagini.
Ci si rende conto di quanto abbassa il contrasto osservando le solite strie dell'Amphipleura.

[500paolo]

Quando guardi le strie della diatomea sei costretto a togliere il filtro smerigliato semplicemente perche' devi usare l'illuminazione obliqua decentrando il condensatore, se lasciassi tale filtro otterresti una luce diffusa non centrata.
Il filtro fa la sua funzione, uniformare l'illuminazione per questo nel caso da te descritto fa l'effetto contrario a cio' che vuoi tu.

[Enotria]

Scusami Paolo, ma stai facendo delle affermazioni piuttosto innovative e vorrei capirle per bene, prima di andarle a verificare.

Se ho ben capito, tu affermi che l'aumento di contrasto, togliendo il filtro diffusore, si verifica perché Guido utilizza l'illuminazione obliqua, che verrebbe resa meno efficiente dalla dispersione attuata dal filtro smerigliato, se lo lasciassimo in sede.

Bene, ma allora, se invece io illuminassi con il normale Campo Chiaro, il filtro diffusore che effetto avrebbe ?
Ipotesi 1: migliora il contrasto
Ipotesi 2: non modifica il contrasto
Ipotesi 3: peggiora il contrasto

Resto perplesso perché, se venissero verificate le affermazioni 1 e 2, bisognerà riscrivere alcuni capitoli dell'Ottica, se invece fosse vera l'ipotesi n. 3, allora non capisco più il senso del tuo intervento precedente.

[500paolo]

L'effetto del filtro smerigliato e' quello di rendere uniforme l'area soggetta all'illuminazione.
Inserendolo e' normale che ci sia un'attenuazione nell'area centrale a favore di quella periferica e questo giova sopratutto agli obiettivi poco "potenti" dove si mette a fuoco un'area piuttosto estesa. Questo a noi da' l'effetto, con gli obiettivi "potenti", di una riduzione del contrasto invece e' proprio una riduzione dell'intensita' luminosa al centro dato che l'area visualizzata da un obiettivo a forte ingrandimento e' inferiore a quelli precedenti, insomma la luce andrebbe dispersa in zone non utili.
Quindi se la matrice led e' molto potente, anche con un filtro smerigliato ci sarebbe tanta intensita' luminosa sufficiente a dare un forte contrasto e, avendo tutta l'area disponibile uniformemente illuminata, e' molto piu' semplice spingersi in la con il campo oscuro con i semplici dischetti opachi al centro (proprio per avere una forte illuminazione nel campo oscuro che ho cominciato ad usare le matrici da 10W, prima con il singolo led [anche da 3w] avevo si il forte contrasto di cui si parla, poi, pero', per il C.O. avrei dovuto comprare condensatori appositi).
Questo per lo meno e' quello che ho tastato con mano dal led da 1/4w passando per le dicroiche fino al 10w a matrice, in nessun caso l'illuminazione era puntiforme, con le lampadine c'era l'ombra del filamento e a farci bene caso anche nel singolo led c'era l'ombra del filo sottilissimo che collega la base del chip all'altro reoforo. Alla fine e' solo questione di distanza del corpo luminoso dal condensatore, basta allontanare la matrice di led e questa diventa puntiforme quanto il singolo led. Potrei comunque aver preso un abbaglio (che gioco di parole!).

Come al solito ho alzato il polverone! Perdonatemi ma anche se le mie affermazione sono sbagliate almeno danno la possiblita' di analizzare bene l'argomento.

[Enotria]

Ho letto e riletto più volte il tuo ultimo intervento per cercare di comprendere bene il tuo pensiero ed alla fine mi sono fermato sulla tua affermazione finale, che è quella che ritengo più discutibile e che riporto:

Perdonatemi ma anche se le mie affermazione sono sbagliate almeno danno la possiblita' di analizzare bene l'argomento.

Per quello che so, un argomento lo si analizza non con affermazioni sbagliate, ma con ragionamenti giusti, o almeno con test, purché eseguiti in modo corretto. In caso contrario si ha soltanto quello che volgarmente viene chiamato "tirare sassi in piccionaia".


Per parte mia riterrei così concluso l'argomento filtri smerigliati e contrasto: ciascuno rimanga pure sulle sue idee, è un diritto irrinunciabile, del resto ciascuno di noi ha già espresso il proprio pensiero in modo esauriente e continuare ad oltranza sarebbe solo inutile ripetizione.

[500paolo]

Ok. Sono d'accordo.

"Perdonatemi ma anche se le mie affermazione sono sbagliate almeno danno la possiblita' di analizzare bene l'argomento."

Il senso non voleva essere quello e mi sono espresso male.
Avrei dovuto scrivere: "se alla fine si arriva a dimostrare che le mie affermazione sono sbagliate almeno hanno dato la possiblita' di analizzare bene l'argomento."
Questo per dire che non sono un professore ma riporto solo le mie esperienze che possono essere giuste o sbagliate, non voglio di convincere nessuno.

[Mariano Curti]

Ciao a tutti,
non ho versato moltissimo tempo su questo argomento......posso solo dire che ho provato a fare qualche test con il vetro smerigliato e non... per quanto mi riguarda con il vetro smerigliato a medi e alti ingrandimenti il contrasto un po' si perde e infatti non lo uso mai o solo poche volte.... ovviamente parlo solo di prove puramente pratiche senza teoria.
A presto,
Mariano

[Guido Gherlenda]

Non vorrei cadere in confusione, il filtro smerigliato lo uso quasi esclusivamente con l'obliqua....

[arturoag75]

Peccato che l'argomento è chiuso perché era davvero interessante.
Ma dico io perché non non mostrare con immagini ciò che si vuol dire? Tutto diventa più facile da comprendere e magari ci scappa pure il "colpo di scena"
arturo