Ánh sáng khả kiến bao gồm chỉ một phần rất nhỏ của toàn bộ phổ bức xạ điện từ, nhưng nó chứa vùng tần số duy nhất mà các tế bào hình que và hình nón của mắt người phản ứng được. Bước sóng mà con người bình thường có thể nhìn thấy được nằm trong một vùng rất hẹp, khoảng chừng giữa 400 và 700 nanomét. Con người có thể quan sát và phản ứng lại sự kích thích tạo ra bởi ánh sáng khả kiến là do mắt người có những đầu dây thần kinh đặc biệt nhạy với vùng tần số này. Tuy nhiên, phần còn lại của phổ điện từ thì không nhìn thấy được.
Có rất nhiều nguồn phát ra bức xạ điện từ, và người ta thường phân loại theo phổ bước sóng mà các nguồn phát ra. Các sóng vô tuyến tương đối dài được tạo ra bởi dòng điện chạy trong các ănten phát thanh truyền hình khổng lồ, còn sóng ánh sáng khả kiến ngắn hơn nhiều được tạo ra bởi những xáo trộn trạng thái năng lượng của các electron tích điện âm bên trong nguyên tử. Dạng ngắn nhất của bức xạ điện từ, sóng gamma, là kết quả của sự phân rã các thành phần hạt nhân ở tâm nguyên tử. Ánh sáng mà con người có thể nhìn thấy (hình 1) thường là tập hợp nhiều bước sóng có thành phần thay đổi tùy theo nguồn phát.
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta bị “oanh tạc” dữ dội bởi phổ bức xạ điện từ, chỉ một phần nhỏ của nó chúng ta mới thực sự “nhìn thấy” dưới dạng ánh sáng khả kiến. Khi mạo hiểm bước ra ngoài trời thì một lượng khủng khiếp ánh sáng khả kiến đập vào người chúng ta được phát ra từ Mặt Trời; Mặt Trời cũng tạo ra nhiều tần số bức xạ khác không rơi vào vùng khả kiến. Còn khi ở trong nhà, chúng ta lại tắm mình trong ánh sáng khả kiến phát ra từ các nguồn sáng nhân tạo, chủ yếu là bóng đèn volfram nóng sáng và đèn huỳnh quang.
Ban đêm, ánh sáng tự nhiên được tạo ra bởi các thiên thể, như Mặt Trăng, các hành tinh và các sao, ngoài ra còn có cực quang định kì (ánh sáng phương Bắc), và thỉnh thoảng có sao chổi hoặc sao băng. Những nguồn sáng tự nhiên khác gồm có tia chớp, núi lửa, lửa cháy rừng, cộng với một số nguồn phát sáng hóa sinh (phát quang sinh học). Các nguồn sáng sinh học gồm có ánh chớp lập lòe của đom đóm quá đỗi quen thuộc, và lung linh huyền ảo trên biển có các loài phát quang sinh học như một số vi khuẩn, tảo, trùng roi, sứa, và một số loài cá.
Bảng 1 liệt kê sự phân bố màu sắc rạch ròi được nhận ra bởi con người đối với một số dải bước sóng hẹp trong phổ ánh sáng khả kiến. Việc liên hệ các màu nhất định với vùng bước sóng cho phép phân biệt giữa các sắc thái, màu sắc và bóng tối. Có thể nhiều sự phân bố phổ khác nhau cùng tạo ra cảm giác màu giống nhau (một hiện tượng được biết với cái tên đồng phân dị vị). Ví dụ, cảm giác màu vàng có thể gây ra bởi một bước sóng ánh sáng, chẳng hạn 590nm, hoặc có thể là kết quả của việc nhìn hai lượng ánh sáng bằng nhau có bước sóng riêng, ví dụ 580nm và 600nm. Cũng có thể xem màu vàng là một phân bố hẹp gồm toàn bộ các bước sóng nằm giữa 580nm và 600nm. Đối với hệ thị giác của con người, bước sóng giữ vai trò đó cho mọi màu sắc trong phổ khả kiến. Những nghiên cứu gần đây cho thấy một số loài (nhất là chim chóc) có thể phân biệt giữa các màu nhận được giống như con người.
Các nguồn nóng sáng
Loài người buổi đầu đã không có các nguồn sáng chắc chắn suốt những đêm trường, nhưng họ thỉnh thoảng có thể tìm thấy và thu thập những thanh gỗ đang cháy từ những đống lửa trong bụi rậm và rồi giữ lửa cháy rực trong một trại lửa trong một thời gian ngắn. Theo tri thức tiến bộ thì loài người đã phát hiện thấy tia lửa điện, và sau đó là lửa có thể phát ra bằng cách cọ xát những loại đá nhất định lên nhau (ví dụ như đá lửa và sắt pirit) hoặc bằng cách chà xát linh hoạt gỗ với gỗ. Một khi đã làm chủ được các kĩ thuật này, người ta có thể tạo ra bất cứ khi nào người ta muốn.
Khi lửa cháy, năng lượng hóa học được giải phóng dưới dạng nhiệt và ánh sáng. Nhiên liệu cháy, hoặc là cỏ, gỗ, dầu, hoặc là một số chất dễ bắt lửa khác, phát ra chất khí bị đun nóng bởi năng lượng hóa học khổng lồ phát sinh trong quá trình cháy, làm cho các nguyên tử trong chất khí rực lên hoặc nóng sáng. Các electron trong nguyên tử chất khí nhày lên mức năng lượng cao bởi kích thích nhiệt, và ánh sáng được giải phóng dưới dạng photon khi các electron rơi xuống trạng thái cơ bản của chúng. Màu của ngọn lửa là một dấu hiệu của nhiệt độ và lượng năng lượng được giải phóng. Ngọn lửa màu vàng đục thì lạnh hơn nhiều so với ngọn lửa màu xanh chói, nhưng thậm chí ngọn lửa lạnh nhất thì vẫn còn rất nóng (chừng 350 độ C).
Mặc dù nhựa thuốc lá và giẻ rách được dùng để tạo ra những bó đuốc sơ khai, nhưng bước tiến thiết thực đầu tiên trong việc điều khiển lửa chỉ xuất hiện khi đèn dầu được phát minh. Những ngọn đèn sơ khai đã hơn 15.000 năm tuổi (hình 2) được phát hiện, làm từ đá và mai động vật, chúng đốt cháy mỡ động vật và dầu thực vật. Trước khi đèn khí được phát minh, có một nhu cầu khủng khiếp về dầu động vật. Nguồn cấp chủ yếu loại dầu này là mỡ động vật khai thác từ việc nấu sôi các mô chất béo lấy từ động vật biển, ví dụ như cá voi và hải cẩu. Đèn dầu sau cùng tiến hóa thành những ngọn nến, chế tạo bằng cách đúc mỡ động vật hoặc sáp ong đông cứng, như minh họa trong hình 2. Những ngọn nến buổi đầu phát ra một chút khói, nhưng không sáng lắm. Cuối cùng, người ta phát hiện thấy sáp parafin, khi đổ khuôn thích hợp với một bấc vải dễ thấm, sinh ra ngọn lửa tương đối sáng mà không có lượng khói đáng kể.
Trong thế kỉ 19, việc thắp đèn khí thiên nhiên trở nên phổ biến ở nhiều đô thị chính tại châu Âu, châu Á và Mĩ. Những ngọn đèn khí buổi đầu hoạt động bằng cách tạo ra một dòng khí cháy (một việc làm khá nguy hiểm), còn các mẫu đèn sau này được lắp thêm măng sông, hoặc một mạng vải mịn đã qua xử lí hóa học, chúng làm phân tán ngọn lửa và phát ra ánh sáng sáng hơn nhiều.
Các nhà hiển vi học buổi đầu sử dụng nến, đèn dầu, và ánh sáng Mặt Trời tự nhiên để cung cấp sự chiếu sáng cho các hệ quang cụ tương đối thô trong kính hiển vi của họ. Các nguồn sáng ban sơ này chiếu sáng không đều, khi lập lòe, khi bùng phát rực rỡ, và thường tiềm ẩn mối nguy hiểm về lửa. Ngày nay, các bóng đèn nóng sáng cường độ cao đế bằng volfram là nguồn sáng chủ yếu dùng trong kính hiển vi hiện đại và chiếm đa số trong các hệ thống chiếu sáng gia đình.
Hình 3 biểu diễn các đường cong phân bố phổ biểu thị năng lượng tương đối theo bước sóng đối với một vài nguồn khác nhau phát ra ánh sáng trắng (là sự pha trộn của tất cả hay đa số màu trong phổ khả kiến). Đường cong màu đỏ biểu diễn năng lượng tương đối của ánh sáng đèn volfram trên toàn bộ phổ khả kiến. Như đã được chỉ rõ trong hình, năng lượng ánh sáng đèn volfram tăng khi bước sóng tăng. Kết quả này ảnh hưởng đến nhiệt độ màu trung bình của ánh sáng thu được, đặc biệt khi so sánh với nhiệt độ màu trung bình của ánh sáng Mặt Trời và ánh sáng huỳnh quang (đèn hơi thủy ngân). Đường cong phổ màu vàng mô tả sự phân bố ánh sáng khả kiến từ phổ ánh sáng Mặt Trời tự nhiên phản xạ bởi Mặt Trăng. Dưới những điều kiện bình thường, ánh sáng Mặt Trời chứa nhiều năng lượng nhất, nhưng đường cong minh họa trong hình 3 đã được làm cho bình thường với phổ đèn volfram để tiện so sánh. Đường cong màu xanh đậm đặc trưng cho đèn hơi thủy ngân, và biểu hiện một vài chênh lệch đáng kể với phổ ánh sáng Mặt Trời tự nhiên và đèn volfram. Một số cực đại năng lượng có mặt trong phổ đèn hơi phóng điện xuất hiện là kết quả của từng đường phổ chồng lên nhau phát sinh từ hơi thủy ngân.
Phổ ánh sáng khả kiến tạo ra bởi một diode phát quang (LED) phát ra ánh sáng trắng được biểu diễn bằng đường cong màu xanh lá trong hình 3. Diode phát quang là dụng cụ vốn dĩ đơn sắc, với màu sắc được xác định bởi dải khe giữa các chất liệu bán dẫn khác nhau dùng chế tạo nên diode. Diode phát sáng đỏ, xanh lá, vàng và xanh dương là phổ biến, và được sử dụng rộng rãi làm ánh sáng chỉ báo cho máy tính và các thiết bị điện tử tiêu dùng khác, như máy thu radio, máy thu truyền hình, máy hát đĩa compact, máy ghi đĩa, và máy hát đĩa kĩ thuật số. LED phát ánh sáng trắng được chế tạo từ diode xanh gallium nitride bằng cách phủ ngoài chất bán dẫn lớp chất phôtpho, chất này phát ra một phạm vi rộng bước sóng khả kiến khi bị kích thích bởi ánh sáng phát ta từ diode xanh. Phổ laser, thu được từ laser diode hoặc laser khí, rất hẹp, thường bao gồm chỉ một hoặc vài ba bước sóng nhất định. Ví dụ minh họa trong hình 3 (đường cong màu xanh lá mạ) là cho laser diode bán dẫn dòng điện thấp có ích trong nhiều ứng dụng đa dạng, như đọc mã vạch và kiểm tra dữ liệu đĩa quang.
Nguồn sáng volfram thường được gọi là nóng sáng, vì chúng phát ra ánh sáng khi bị đun nóng bởi năng lượng điện. Dây tóc của các bóng đèn hiện đại thường làm bằng volfram, một kim loại có hiệu suất phát sáng tương đối hiệu quả khi bị đun nóng điện trở bằng dòng điện. Các đèn nóng sáng hiện đại có nguồn gốc từ đèn hồ quang carbon do Humphry Davy phát minh, chúng tạo ra ánh sáng bằng sự phóng điện hồ quang giữa hai que than (hoặc các điện cực dây tóc) khi thiết đặt một hiệu điện thế giữa các điện cực. Rốt cuộc, đèn hồ quang carbon đã mang tới những chiếc đèn đầu tiên sử dụng dây tóc carbon chứa trong một vỏ bao thủy tinh hàn kín. Dây tóc volfram, được sử dụng trước tiên vào năm 1910 bởi William David Coolidge, bốc hơi chậm hơn nhiều so với sợi carbon có nguồn gốc cotton khi bị nung nóng trong chân không của vỏ thủy tinh. Dây tóc hoạt động như một điện trở đơn giản, và phát ra một lượng đáng kể ánh sáng, ngoài năng lượng nhiệt phát sinh bởi dòng điện.
Đèn volfram nóng sáng là vật bức xạ nhiệt phát ra phổ ánh sáng liên tục trải rộng từ khoảng 300nm, trong vùng tử ngoại, tới gần 1400nm, trong vùng hồng ngoại. Cấu trúc, việc chế tạo và hoạt động của chúng rất đơn giản, và có rất nhiều chủng loại đèn này được dùng làm nguồn nóng sáng. Loại đèn tiêu biểu gồm một bóng thủy tinh hàn kín (xem hình 4), bên trong chứa đầy một chất khí trơ, và một sợi dây tóc bằng volfram hoạt động mạnh mẽ khi có dòng điện đi qua. Bóng đèn tạo ra một lượng rất lớn ánh sáng và nhiệt, nhưng ánh sáng chỉ chiếm có 5 đến 10% tổng năng lượng mà chúng phát ra.
Đèn volfram có xu hướng kém tiện lợi, ví dụ như cường độ của nó giảm theo tuổi thọ và nó làm đen vỏ đựng bên trong do volfram bốc hơi chậm lắng trở lại thủy tinh. Nhiệt độ màu và độ chói của đèn volfram biến thiên theo hiệu điện thế áp dụng, nhưng giá trị trung bình cho nhiệt độ màu biến thiên trong khoảng từ 2200K đến 3400K. Nhiệt độ bề mặt của dây tóc volfram lúc hoạt động rất cao, thường trung bình khoảng 2550 độ C đối với một bóng đèn thương mại chuẩn 100 watt. Đôi khi bên trong bóng đèn volfram chứa các chất khí quý tộc như krypton hoặc xenon (chất khí trơ), chúng là một sự chọn lựa nhằm tạo ra chân không để bảo vệ dây tóc volfram nóng bỏng. Các chất khí này làm tăng hiệu suất của đèn nóng sáng vì chúng làm giảm lượng volfram bốc hơi rồi lắng xuống bên trong bóng thủy tinh bao ngoài.
Các đèn halogen, phiên bản hiệu suất cao của đèn volfram nóng sáng, thường chứa một ít iode hoặc brom trong chất khí bên trong để mang volfram bốc hơi quay trở lại dây tóc hiệu quả hơn nhiều so với những chiếc đèn sử dụng chất khí khác. Đèn volfram-halogen, được phát triển đầu tiên bởi công ty General Electronic vào những năm 1950 dành cho việc thắp sáng các đầu mút cánh máy bay phản lực siêu âm, có khả năng tạo ra ánh sáng rất đều trong suốt quãng tuổi thọ của đèn. Ngoài ra, đèn halogen nhỏ hơn và hiệu suất cao hơn so với đèn volfram có cường độ tương ứng. Tuổi thọ của một bóng đèn volfram-halogen có thể lên tới 10 năm, dưới những điều kiện lí tưởng nhất.
Dây tóc của đèn volfram-halogen thường là những sợi xoắn rất chặt gắn trong một vỏ bao thủy tinh borosilicate-halide (thường gọi là thạch anh nấu chảy). Nhiệt độ cao lúc hoạt động đã giới hạn việc sử dụng bóng đèn volfram-halogen cho các đèn chiếu sáng trong nhà được thông hơi tốt có đế nhiệt hình cánh quạt để loại bớt lượng nhiệt khổng lồ phát sinh bởi những bóng đèn này. Nhiều đèn thắp sáng trong nhà được trang bị là đèn volfram-halogen 300 – 500 watt, và tạo ra một lượng lớn ánh sáng tràn ngập căn phòng tốt hơn nhiều các bản sao volfram của chúng phát sáng yếu hơn. Khi ghép với ống dẫn sáng sợi quang, bộ lọc hấp thụ hoặc bộ lọc lưỡng sắc, các đèn volfram-halogen chiếu sáng trong nhà mang lại cường độ rọi cao cho nhiều ứng dụng hiển vi quang học đa dạng, nhưng điều bất tiện chủ yếu là chúng tạo ra một lượng lớn ánh sáng hồng ngoại dưới dạng bức xạ nhiệt có thể dễ dàng làm suy thoái mẫu vật nghiên cứu.
Nguồn sáng huỳnh quang
Có nhiều nguồn phát sáng khả kiến không nóng sáng dùng cho việc thắp sáng trong nhà và ngoài đường, cũng như có những ứng dụng quan trọng trong kính hiển vi quang học. Đa số các nguồn sáng này hoạt động trên cơ sở phóng điện qua chất khí như thủy ngân, hoặc các khí trơ neon, argon và xenon. Sự phát sinh ánh sáng khả kiến trong đèn phóng điện khí dựa trên sự va chạm giữa các nguyên tử và ion trong chất khí với dòng điện truyền qua giữa một cặp điện cực đặt ở hai đầu bóng đèn.
Ống thủy tinh của đèn huỳnh quang thông thường được phủ một lớp phosphor ở mặt bên trong và ống chứa đầy hơi thủy ngân ở áp suất rất thấp (xem hình 5). Dòng điện được thiết lập giữa các điện cực đặt ở hai đầu ống, tạo ra dòng electron chạy từ điện cực này tới điện cực kia. Khi các electron trong dòng va chạm với các nguyên tử hơi thủy ngân, chúng kích thích electron trong các nguyên tử này lên trạng thái năng lượng cao. Năng lượng này được giải phóng dưới dạng bức xạ tử ngoại khi các electron trong nguyên tử thủy ngân rơi trở lại trạng thái cơ bản. Bức xạ tử ngoại sau đó tiếp thêm sinh lực cho lớp phosphor phủ bên trong, làm cho nó phát ra ánh sáng trắng rạng rỡ mà chúng ta nhìn thấy từ đèn huỳnh quang. Đèn huỳnh quang có hiệu suất phát ánh sáng khả kiến gấp khoảng 2 đến 4 lần, tạo ra ít hao phí nhiệt hơn, và có tuổi thọ gấp 10 đến 20 lần so với các đèn nóng sáng.
Một đặc trưng vô song của nguồn sáng huỳnh quang là chúng phát ra một loạt bước sóng thường tập trung trong những dải hẹp gọi là phổ vạch. Kết quả là các nguồn sáng này không tạo ra phổ chiếu sáng liên tục đặc trưng của các nguồn nóng sáng. Một ví dụ tiêu biểu cho nguồn phát ánh sáng khả kiến không nóng sáng đơn bước sóng là đèn hơi natri thường dùng để chiếu sáng đường phố. Những bóng đèn loại này phát ra ánh sáng màu vàng rất mạnh, với hơn 95% ánh sáng phát xạ gồm ánh sáng 589nm và hầu như không có bước sóng nào khác nữa. Có thể chế tạo các đèn phóng điện khí phát ra phổ gần như liên tục, ngoài phổ vạch cố hữu của các đèn thuộc loại này. Giải pháp kĩ thuật phổ biến nhất là phủ lên bề mặt bên trong ống các hạt phosphor, chúng sẽ hấp thụ bức xạ do dòng khí phát ra và biến đổi nó thành phổ ánh sáng khả kiến rộng, trải từ lam tới đỏ.
Dưới những điều kiện bình thường, đa số cá nhân không thể nào phân biệt được sự khác biệt giữa phổ vạch và phổ liên tục của các bước sóng. Tuy nhiên, một số vật thể lại phản xạ màu sắc đặc biệt trong ánh sáng phát ra từ một nguồn không liên tục, nhất là dưới sự thắp sáng huỳnh quang. Đây là lí do vì sao mà vải vóc, cùng một số hàng hóa dễ bắt màu khác, treo trong cửa hàng thắp sáng bằng đèn huỳnh quang lại trông có màu hơi khác chút xíu so với khi nhìn dưới ánh sáng Mặt Trời hoặc rọi sáng bằng đèn volfram liên tục.
Trong kĩ thuật hiển vi nổi ánh sáng phản xạ, đặc biệt khi khảo sát các mẫu nghiệm nhạy nhiệt, đèn huỳnh quang thường dùng là bóng đèn volfram, do hiệu suất cao và công suất nhiệt thấp của chúng. Đèn huỳnh quang hiện đại có thể cấu hình cho ống thẳng hoặc đèn chiếu sáng vòng mang đến cho các nhà hiển vi học ánh sáng cường độ mạnh, khuếch tán. Nguồn ánh sáng trắng nhân tạo này cạnh tranh được với ánh sáng Mặt Trời (không có nhiệt đi kèm) ở nhiệt độ màu, và loại bỏ đặc tính bập bùng điển hình của các ống huỳnh quang thương mại. So với đèn volfram, volfram-halogen, hoặc đèn hồ quang, thì đèn huỳnh quang chiếu sáng kính hiển vi có thể cho khoảng thời gian phục vụ chất lượng cao tương đối lâu (khoảng 7000 giờ). Là nguồn ánh sáng khuếch tán, đèn huỳnh quang tạo ra trường rọi sáng đồng đều mà không có các điểm nóng khó chịu, hoặc ánh chói. Kĩ thuật rọi sáng tia catôt lạnh mới hứa hẹn sẽ là một nguồn sáng chuyên dụng dùng trong kĩ thuật hiển vi quang học, nhất là cho những sự kiện có thời gian sống ngắn được làm tăng thêm bằng sự kích thích huỳnh quang, và cho những ứng dụng mà nhiệt hao phí hoặc thời gian sưởi ấm trong nguồn sáng có thể làm cản trở mẫu vật hoặc việc quan sát.
Một phương pháp thích hợp để chụp ảnh các mẫu vật đang chuyển động, đặc biệt có ích trong kính hiển vi rọi sáng yếu, là sử dụng các hệ thống flash chụp ảnh điện tử. Các đơn vị flash điện tử hoạt động nhờ sự in hóa trong ống thủy tinh chứa khí xenon được điều khiển bởi sự phóng điện của tụ điện lớn. Xung điện thế cao, thời gian sống ngắn phát ra từ máy biến thế làm cho khí xenon ion hóa, cho phép tụ phóng điện qua chất khí lúc này đã dẫn điện. Một sự bùng phát ánh sáng rực rỡ đột ngột xuất hiện, sau khi khí xenon nhanh chóng rơi trở lại trạng thái không dẫn điện, và tụ điện nạp điện. Ống đèn flash cho độ rọi 5500K trong sự bùng lên tức thời có thể ghi nhận một lượng đáng kể chi tiết vật thể, thích hợp dùng trong kĩ thuật chụp ảnh, ghi hình kĩ thuật số, và chụp ảnh hiển vi.
Đèn phóng điện hồ quang, bên trong chứa các chất khí như hơi thủy ngân và xenon, thường được dùng làm nguồn rọi sáng cho một số dạng chuyên dụng của kính hiển vi huỳnh quang. Một đèn hồ quang tiêu biểu sáng gấp 10 đến 100 lần bản sao volfram của nó, và có thể mang lại sự rọi sáng đơn sắc rực rỡ khi kết hợp với các bộ lọc giao thoa lưỡng sắc phủ bên ngoài đặc biệt. Không giống như đèn volfram, đèn volfram-halogen, đèn hồ quang không có dây tóc, nhưng lại phụ thuộc vào sự ion hóa chất hơi, mặc dù sự phóng điện hồ quang năng lượng cao giữa hai điện cực sinh ra ánh sáng cường độ mạnh của chúng. Nói chung, đèn hồ quang có thời gian sống trung bình 100-200 giờ, và đa số các nguồn cung cấp ngoài được trang bị một máy bấm giờ cho phép các nhà hiển vi học giám sát bao nhiêu thời gian trôi qua. Đèn hồ quang thủy ngân (thường gọi là mỏ đèn, xem đèn thủy ngân và xenon minh họa trong hình 6) có công suất từ 50 đến 200 watt và thường gồm hai điện cực hàn kín dưới áp suất hơi thủy ngân cao bên trong ống thủy tinh thạch anh.
Đèn hồ quang thủy ngân và xenon không cho cường độ rọi đồng đều trong toàn bộ phổ bước sóng từ tử ngoại tới hồng ngoại. Phần lớn sức mạnh của đèn hồ quang thủy ngân tiêu hao trong phổ tử ngoại gần và xanh lam, với đa số cực đại cường độ cao xuất hiện trong ngưỡng 300-450nm, trừ một vài cực đại có bước sóng cao hơn nằm trong vùng phổ xanh lục. Trái lại, đèn hồ quang xenon có sản lượng rộng hơn và đồng đều hơn trong phổ khả kiến, và không biểu hiện các cực đại cường độ phổ rất cao đặc trưng như đèn hồ quang thủy ngân. Tuy nhiên, đèn xenon lại kém hiệu quả trong vùng tử ngoại, và tiêu hao một lượng lớn sức mạnh của chúng trong vùng hồng ngoại, nên đòi hỏi phải điều chỉnh cẩn thận và phải loại trừ tình trạng quá nhiệt nếu sử dụng các đèn này.
Thời kì sử dụng diode phát quang làm nguồn chiếu sáng kĩ thuật bắt đầu vào thế kỉ 21, và diode là phần bù lí tưởng cho sự hợp nhất công nghệ bán dẫn và hiển vi quang học. Sự tiêu thụ năng lượng tương đối thấp (1 đến 3 volt, 10 đến 100 miliampe) và thời gian hoạt động lâu dài của diode phát quang khiến cho những dụng cụ này trở thành nguồn sáng hoàn hảo khi chỉ yêu cầu cường độ chiếu ánh sáng trắng ở mức trung bình. Các kính hiển vi nối với máy tính giao tiếp qua cổng USB, hoặc được cấp nguồn bằng pin, có thể sử dụng LED làm nguồn sáng bên trong nhỏ gọn, ít tổn hao nhiệt, công suất thấp và giá thành rẻ, dùng cho việc quan sát bằng mắt hoặc ghi ảnh kĩ thuật số. Một số kính hiển vi dùng trong học tập và nghiên cứu hiện đang diode phát ánh sáng trắng bên trong, cường độ cao làm nguồn sáng sơ cấp.
Diode phát quang hiện nay đã được kiểm tra và thương mại hóa trong nhiều ứng dụng đa dạng, như làm tín hiệu giao thông, mật hiệu, đèn flash, và đèn chiếu sáng kiểu vòng gắn ngoài cho kính hiển vi. Ánh sáng do đèn LED trắng phát ra có phổ nhiệt độ màu tương tự với đèn hơi thủy ngân, loại đèn thuộc danh mục chiếu sáng ban ngày. Phổ phát xạ của đèn LED trắng được biểu diễn trong hình 3, cực đại phát tại 460nm là do ánh sáng xanh lam phát ra bởi diode bán dẫn gallium nitride, còn vùng phát sáng rộng cường độ cao nằm giữa 550 và 650nm là do ánh sáng thứ cấp phát ra bởi phosphor phủ bên trong lớp vỏ polymer. Sự tổng hợp các bước sóng tạo ra ánh sáng “trắng” có nhiệt độ màu tương đối cao, là vùng bước sóng thích hợp cho việc chụp ảnh và quan sát ở kính hiển vi quang học.
Nguồn sáng laser
Một nguồn phát ánh sáng khả kiến nữa đang có tầm quan trọng ngày càng cao trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, đó là laser. Laser là tên viết tắt từ Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cưỡng bức). Một trong những đặc điểm vô song của laser là chúng phát ra chùm ánh sáng liên tục gồm một bước sóng riêng biệt (hoặc đôi khi là một vài bước sóng), cùng pha, đồng nhất, gọi là ánh sáng kết hợp. Bước sóng ánh sáng do laser phát ra phụ thuộc vào loại chất cấu tạo nên laser là tinh thể, diode hay chất khí. Laser được sản xuất đa dạng về hình dạng và kích thước, từ những chiếc laser diode bé xíu đủ nhỏ để lắp khít vào lỗ kim, cho tới những thiết bị quân sự và nghiên cứu chiếm đầy cả một tòa nhà.
Laser được sử dụng làm nguồn sáng trong nhiều ứng dụng, từ các đầu đọc đĩa compact cho tới các thiết bị đo đạc và dụng cụ phẫu thuật. Ánh sáng đỏ quen thuộc của laser helium-neon (thường viết tắt là He-Ne) được dùng để quét mã vạch hàng hóa, nhưng cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống hiển vi quét laser đồng tiêu. Ứng dụng laser trong kính hiển vi quang học cũng ngày càng trở nên quan trọng, vừa là nguồn sáng duy nhất, vừa là nguồn sáng kết hợp với các nguồn sáng huỳnh quang và/hoặc nguồn nóng sáng. Mặc dù giá thành tương đối cao, nhưng laser cũng tìm thấy ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật huỳnh quang, chiếu sáng đơn sắc, và trong các lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng như kĩ thuật quét laser đồng tiêu, phản xạ nội toàn phần, truyền năng lượng cộng hưởng huỳnh quang, và kính hiển vi nhân quang.
Laser argon-ion (hình 8) tạo ra phổ phát xạ mạnh mẽ ở 488 và 514nm, còn laser khí krypton biểu hiện các cực đại lớn tại bước sóng 647,1 và 752,5nm. Cả hai loại laser này thường được dùng làm nguồn kích thích trong kính hiển vi laser quét đồng tiêu. Laser xung mode khóa tinh thể sapphire pha tạp chất titan được dùng làm nguồn kích thích nhân quang do cường độ cực đại cao của chúng, nhưng chúng cũng bộc lộ công suất trung bình thấp và chu kì công suất ngắn. Là nguồn sáng được ưa chuộng hơn dùng cho kính hiển vi nhân quang, laser xung đắt hơn nhiều và khó hoạt động hơn so với các laser nhỏ, làm nguội bằng không khí dùng trong kính hiển vi đồng tiêu.
Công nghệ laser mới gồm các diode laser nền bán dẫn và laser gắn trên chip, làm giảm kích thước và yêu cầu công suất đối với nguồn sáng. Diode laser, ví dụ như neodymium:yttrium lithium fluoride (Nd:YLF) và neodymium:yttrium vanadate (Nd:YVO(4)), thường đáp ứng nhanh hơn nhiều so với LED, nhưng cũng tương đối nhỏ và yêu cầu công suất thấp. Bất lợi của việc sử dụng laser trong kính hiển vi gồm giá thành thêm vào cho nguồn sáng, sự rủi ro gây thiệt hại đắt tiền, làm tăng giá thành liên đới với thấu kính và gương phủ ngoài, phá hủy mẫu vật, và có thể làm hỏng võng mạc của nhà hiển vi học nếu như quy trình bào vệ và kĩ thuật điều khiển bị xem nhẹ.
Tóm lại, mặc dù có nhiều nguồn chiếu sáng đa dạng hiện có sẵn, nhưng chúng ta thường chỉ sử dụng vài nguồn sáng trong cuộc sống hàng ngày. Vào ban ngày, Mặt Trời đóng vai trò là nguồn chiếu sáng chủ yếu của chúng ta ở ngoài trời, còn thường thì chúng ta sử dụng đèn huỳnh quang và đèn volfram để thắp sáng trong nhà và vào ban đêm. Như đã nói ở phần trên, ba nguồn sáng cơ bản này có tính chất và đặc trưng phổ khác nhau, nhưng cường độ cực đại của chúng đều rơi vào vùng ánh sáng khả kiến. Não người tự động điều chỉnh trước các nguồn sáng khác nhau, và chúng ta cảm nhận được màu sắc của đa số các vật xung quanh mình khi chúng được nhìn dưới những điều kiện chiếu sáng khác nhau.
Tác giả: Kenneth R. Spring, Michael W. Davidson
