Led e Microscopi

[Enotria]

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Di seguito, un articolo che mi piace molto. Purtroppo è un po' "tecnico", ma spero che lo troviate almeno interessante e vi darà spiegazione di alcuni errori che si fanno adattando l'illuminazione a led sui nostri microscopi.
Buona lettura



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.

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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, possibilmente 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.

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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.


(Continua)

[Enotria]

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

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

Mentre nella situazione superiore abbiamo un led a singola giunzione, 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 del nostro microscopio.

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 ! Figurati come le nostre foto verranno bene. 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 ?

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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.


(Continua)

[Enotria]

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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 del microscopio 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.

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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.

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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.


(Continua)

[Enotria]

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Diversa distribuzione della luce a seconda del taglio della calotta.

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

(Fine)

[filiberto]

Che bella spiegazione, complimenti!
filiberto

[Enotria]

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Per me, il difficile è sempre il trovare il giusto equilibrio fra la spiegazione ed il fatto in se.
Evidentemente tu sei uno a cui piace andare a fondo alle cose, pertanto valorizzi le spiegazioni, ma altri vogliono l'informazione pura e semplice e non sono interessati ai perché.

In altre parole, tutto l'articolo precedente, potrebbe venir proposto come:
per ottenere una illuminazione uniforme, dovete tagliare vicino alla giunzione la calotta dei diodi led da 10mm 1W. In questo modo il fascio centrale è distribuito in modo omogeneo ed i fasci laterali hanno una angolazione tale da non disturbare la illuminazione.
E' proprio così, fidatevi !

Sinceramente, una spiegazione così, mi lascerebbe l'amaro in bocca ed una punta di ribellione a tanta sicumera.

[Taid1985]

È innegabile che l'illuminazione a LED abbia apportato un'enorme rivoluzione nel campo dell'illuminazione, e certamente nel contesto dei microscopi non fa eccezione. I vantaggi sono indubbi, da una maggiore durata alla riduzione dei costi energetici, ma come evidenzi, non possiamo ignorare le sfide specifiche che presenta.

Capisco perfettamente il tuo punto riguardo la necessità di una fonte di luce concentrata e proiettata da un punto singolo, che deve essere il più piccolo possibile. È un punto chiave nel funzionamento di un microscopio, e il passaggio da lampade ad incandescenza a LED non è senza ostacoli.

Però, vorrei sottolineare un punto che mi sembra importante. L'industria dei LED sta evolvendo rapidamente e i produttori stanno sviluppando soluzioni innovative per superare queste sfide. Ad esempio, ci sono ora LED COB (Chip on Board) che possono fornire una luce molto concentrata, ideale per l'uso in microscopi. Naturalmente, queste soluzioni non sono perfette e richiedono ulteriori perfezionamenti, ma sono passi significativi nella giusta direzione.

Per quanto riguarda i LED ad alta potenza con diverse giunzioni, concordo che non siano l'opzione ideale per i nostri microscopi. La loro luce non è sufficientemente concentrata e può creare problemi quando deve essere direzionata attraverso lenti specifiche.

Un sito che mi è stato molto utile nel capire meglio queste sfide è Lampada Online: https://lampada-online.it. Offre spiegazioni chiare e dettagliate su vari tipi di illuminazione, compresi i LED. Forse potrebbe esserti d'aiuto per approfondire l'argomento.

Grazie ancora per aver condiviso le tue riflessioni. Mi piace sempre vedere questo tipo di discussione tecnica - ci aiuta tutti a imparare e a migliorare.