照明在生命科学中的应用

照明产品跨越了广泛的生命科学应用，通常属于检测和自动化类别。它们有助于在诸如光细胞术、显微镜和光谱学应用、一般医学诊断、单一疾病检测、基因测序、细胞分选等领域进行低速和高速筛选，或者在查看血液、组织样本或体液的分子水平时进行筛选。他们提供试剂染色的样品，特定波长的光可以在寻找癌细胞时看到荧光。

嵌入到诊断仪器中的照明有助于在阅读FDA唯一设备授权UDI要求的验证的唯一条形码、序列号或零件号标记时使样品敏感。这项新规定的一部分要求机器视觉验证条形码的质量，并确保它们正确打印和完整。

它还帮助研究实验室、生物技术公司或制药制造商进行涉及专业机器人的重复操作，液体处理或将液体从试管或平板移动到其他位置并执行操作。它帮助机器视觉系统对制造的产品或包装进行常规检查，验证产品标签是否存在，并具有日期、批号和过期代码，执行OCR和读取条形码。

为了可追溯性，医疗设备公司用代码标记其部件。早期的直接零件标记是由激光烧蚀零件表面形成的序列号。但目前在零件上已采用二维数据矩阵编码。当验证这类零件上的编码时，照明不能从随机方向，因为根据照明角度的不同，表面可能会出现不同的情况，这可能会影响质量测量。因此，特种灯提供不同几何形状的照明，以满足FDA设备可追溯性的新要求。

前注意事项

临床环境对数据管理和跟踪可能有不同的软件包、环境和监管要求，但通常情况下，对将机器视觉照明应用到系统感兴趣的生命科学用户的考虑事项与他们对任何视觉系统的考虑事项相同。每个仪器制造商都面临同样的主要问题。“什么样的技术将驱动包括照明在内的一切?”以及，“波长和封装技术是否足以获得检查所需的对比度?”

用户应该选择一个合适的照明类型，并知道在这个选择中要做出什么妥协。他们应该知道他们想要测量的光度属性，所需的精度水平，一致性，光谱纯度和光谱亮度。他们应该知道扫描的特性，以及是否在合理的波长波段进行合理的筛选，或者应用程序是否需要特定的波长，从而将传统激光器拉到LED的范围内。

照明最常见的目标是创建对比度，以区分前景对象与背景。在生命科学应用中，照明是用探针或其他照明设备来询问一个样本或物体，它是一个组织样本，一个细胞，一种酶或肽或基因组，并与它相互作用，以产生对比的背景和有用的信息。

生命科学中的检查有助于确保做出正确的决策，因此光需要以一种精确、稳定的方式传递，这种方式需要在日复一日、在设备之间重复、准确。“复制精确”的理念适用于照明——无论在世界上的哪个地方使用设备，它都应该有相同的设置和相同的操作方式，以保持一致性。

对于有意在系统中添加机器视觉照明的用户来说，首要考虑的是寿命。在生命科学应用中，产品的预期生命周期可能是15年，在经过验证之后(新仪器可能需要一年多的时间)，在此期间不能进行任何更改。产品不仅要存在那么长时间，而且要有同样的性能。

制造商努力最大化产品的生命周期，在产品寿命结束前几年就发布公告。一家条形码阅读器制造商在2013年宣布，1996年推出的一款仍在使用的产品将在2016年停产，也就是推出20年后。自那以后，该公司已经推出了三代产品，但仍在生命科学行业生产和销售较老的产品。

机器视觉行业需要仔细选择零部件。商用led有它们自己的寿命、可变性和制造商的生命周期。机器视觉系统制造商在很长一段时间内冻结和交付完全相同的组件的能力变得越来越困难，也越来越重要，因为组件本身的挑战和软件的涉及。

在查看了产品的寿命和冷冻后，制造商需要能够交付小包装和大量成本。每个部件都以小型化为目标。这些考虑因素对客户和供应商进行设计决策和选择非常重要。

合适的照明类型

对于生命科学应用，如医疗设备检查、临床诊断、独特设备识别、实验室自动化或制药，LED和激光是全面使用的受控光源的主要类型。激光提供了窄谱输出，带宽只有几纳米宽，而led提供了类似的窄谱输出，在一半最大带宽(FWHM)下，全宽约为30纳米。

在机器视觉行业中，LED照明是目前最受欢迎、最理想的光源，也是寿命最长的光源。作为一种半导体，与其他类型的光源相比，LED光随时间的衰减非常低。在同样的能量驱动下，它的照明比其他灯更有预测性。

目前仍有一些荧光和钨管光源在使用，并继续为旧产品提供服务。大多数已经转移到led和激光上。

照明场的大小有助于确定使用哪个光源。通常将字段分为三个大小桶:微米大小的字段(尺寸为10微米x 10微米)，小的特征字段(尺寸为100微米)，大的字段(视野为毫米或10毫米)。

在100微米以下的显微镜筛选应用中，照明更加困难和昂贵，并且使用激光光源。对于毫米大小的领域，LED技术是一个很好的选择，如广域洪水相互作用和基因组筛选。激光可以在10微米到10毫米的范围内使用，但需要做出成本和性能的选择，以及包装问题。仪器设计师必须决定如何管理热量和包装的大小，这造成了折衷。led不能在10umx20um大小的场地上使用，因为没有足够的能量进入这个空间。

使用模式、环境温度、热沉、热路径和热管理都会影响照明产品的总体寿命，但光源的类型也会影响预期寿命。led和激光都是半导体器件，但它们在服务的单位区域内产生的热量不同。在1平方毫米的面积上，LED产生的热量可以比激光源更有效地管理和消散，后者具有数量级的差异。激光源比LED源产生更强的热量，因此激光产品的寿命预期比LED低。LED照明光源将持续3万到4万小时，而在同样条件下管理良好的激光光源只能持续1万到1.5万小时。

既然条形码已经变成了二维的，激光就无法读取它们。条形码阅读器需要内置照明的摄像头。几乎每一个条形码阅读器使用的成像仪都有某种基于led的照明，以防止热点或反射回相机。

在样品管检查应用中，检查正确的管在正确的位置或高度，直径，或帽是正确的，背光或其他类型的照明从广泛的机器视觉照明可以使用。根据应用程序的几何形状和均匀性的需要，机器视觉应用中使用的传统背光可能是合适的。对于需要高度均匀性的应用，比如分析组织切片中的癌细胞和其他类型的组织学分析，可能需要专门设计的背光。

最重要的新兴照明技术是紫外led。虽然有一段时间了，仍然很贵，但这些产品的寿命、光输出和价格都在不断提高。它们被用于荧光成像技术，因为在适当波长的光照射下，细胞会发出荧光，通常在紫外线范围内。

生命科学的独特考虑

生命科学应用中所做的决定可能会影响某人的健康或生命，或测试药品，因此光的特定波长和控制光的量是非常重要的，比工业应用中检查肥皂条上的标签是否为方形更重要。控制照明光谱以获得所需的精确波长，并向检测区域反复发送正确数量的光，这是服务于该市场的照明的独特需求。

机器视觉系统的占地面积在实验室或工作台空间非常珍贵的应用中也很重要，比如研究实验室或医院。这类似于半导体行业，洁净室的地板空间被最小化。但是，生命科学中有一些独特的方面是其他行业所没有的。

其一是验证的重要性，这比半导体行业严格得多。一旦产品通过了政府认证，不重新认证就不能做任何改动，而重新认证可能需要数年时间。在大多数行业，新就是好。不是在生命科学领域。另一个是过程或测试结果中可能存在的可靠程度和可靠性。这个过程不能给出错误的诊断。

最大的MV照明进步

LED和激光空间正在经历一个融合的过程。LED光学亮度和效率不断提高，在给定区域产生更多的光子和更高的功率密度，更好地服务于更多的应用，并提高了可重复性。传统上体积大、价格昂贵、结构复杂的激光正在向相反的方向发展。它们占用的空间更小，开销更小，复杂性更低，而且越来越容易集成用于生命科学部分。

中间仍然有一个需求圈，led从一个方向靠近，激光从另一个方向靠近，制造商正专注于解决这一领域的需求。过去几年最大的进步是led效率的提高为封装设计师带来了更多的机会。

MV照明成本

照明成本取决于两个因素，照明面积和循环速度。如果要检查的产品或样品移动缓慢，可以使用长时间的曝光和少量的照明。当样品快速移动时，可能需要快速脉冲的强光，这将更加昂贵，并增加控制器的额外成本。

LED控制器不像家用照明计时器那样操作，而是在精确的时间和振幅内发送重复脉冲，使数千个样品暴露在光的爆发中。控制器提供了调节电流脉冲宽度的能力，以确保每次传递的光能量的精确量。他们也被用来冻结运动在高速过程中，因此可以作出准确的检查。

与机器视觉系统的其他组件相比，照明的成本是可以比较的。根据功率和波长的不同，宽照明光源的价格可能在100美元左右，而生命科学光源的价格可能在1000美元左右。照明控制器的价格也可能低于1000美元。

作为一种独立的技术，LED比激光器便宜，但实现一个10美元的LED的开销成本与更昂贵的激光器差不多。在组件成本和工程成本之间，照明不可避免地昂贵。

一个系统的工程越多，对供应商的选择性就越高。在供应商之间做出选择，从一个已知的来源和一个已知的生命周期提供led，将反映在组件的成本上，而不是一些名气较小的供应商。在严肃的制造环境中，为组件灯、阅读器或机器视觉系统额外支付1美元可能值得避免几个月的停机时间。这仍然是一个竞争非常激烈的市场。

照明制造商面临的挑战

照明的问题是在审讯区尽可能多地摆放照片。照明技术要发展成更小、更快、更便宜的设备，面临的技术挑战是如何用更少的钱在更少的空间获得更多的光子。无论怎样的解决方案把光子放在它们需要的地方，并有效地利用它们，问题是如何产生更少的热量，使用更少的电力，并有更少的开销，从而降低每笔交易的成本。

在电子和流体等其他市场，其他技术趋势压低了交易成本。但是照明市场是不同的。几乎所有的仪器都采用定制设计，没有一刀切的产品。每一笔交易都涉及到妥协——无论是在成本、性能还是进度上。制造商会问目前最不重要的问题，并在那里妥协。

随着包装尺寸的减小，热是照明性能、寿命和可靠性方面所有故障的主要原因。制造商和设计师制定了更好地管理热量的策略，并创建了分离电子设备或功能的封装，或与设备中的其他基础设施连接，以管理客户的需求。

在所有市场上，制造商都在灯光设计中投入了更多的工程技术。内置的恒定电流控制器提供自定义电流的能力。漫射器，仔细的几何LED排列和其他专利方法创造了统一的照明没有热点的LED所在的地方。

生命科学在中压照明中的应用增长最快

在质量控制方面，随着越来越多的医院要求颜色检测过程自动化，多颜色led照明的应用正在迅速增长。处理样品和带彩色瓶盖的试管瓶正从操作人员进行视觉检查转向使用机器人和摄像机进行防错。

检查过程中使用的灯光颜色会影响摄像头看到的颜色，例如，使用红灯会使帽子看起来是黑色的。摄像头设置也是如此。使用错误的设置，就像在有荧光灯的房间里日光，帽子看起来会是蓝色的。此外，led的颜色在制造过程中会在不同的容器之间发生细微的变化，这种变化是无法指定或控制的。这个过程的一个重要部分是白色平衡，在色彩检查系统中校准灯光和相机的组合非常重要，以产生有意义的结果，所以红色的帽子被视为红色，而不是粉色。

照明发展最快、潜力最大的领域是小型化和向圣杯点的驱动。这一定义根据应用的不同而不同，但这相当于将光纤传输到每个家庭——将尺寸合适、成本合适、易于使用的仪器放在提供医疗服务的地方——在诊所、医生的办公室，甚至在家里。其目标是，比笔记本电脑或PDA大小更小的医疗设备将能够管理、治疗并将疾病降到最低水平或消灭。