體視顯微鏡的發(fā)展歷史

瀏覽次數(shù)：475　發(fā)布日期：2024-9-20　來源：徠卡顯微鏡

19 世紀現(xiàn)代顯微鏡制造技術(shù)的突破

本文概述了從 1600 年至今體視顯微鏡的發(fā)展和演變。直到 19 世紀中葉，所有光學顯微鏡都是手工制作的。由于無法準確預(yù)測透鏡的特性，因此必須通過反復(fù)試驗來制作和測試透鏡，直到達到理想的效果。恩斯特-阿貝（Ernst Abbe）提出的圖像形成理論最終為可靠、高效地設(shè)計和制造高性能體視顯微鏡提供了科學依據(jù)。

顯微鏡的改進帶來醫(yī)學上的突破性發(fā)現(xiàn)
顯微鏡的設(shè)計標準逐漸形成，在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的早期，許多光學儀器制造商都采用了這些標準（參見圖 1）。顯微鏡設(shè)計的進步使植物學、組織學、細胞學、細菌學和醫(yī)學領(lǐng)域的突破性發(fā)現(xiàn)成為可能，例如羅伯特-科赫^[1]和魯?shù)婪?維爾肖^[2]的醫(yī)學進步。與此同時，用于標本固定、包埋和切片（如使用顯微切片機）的合適方法以及專用染色劑和防腐劑也應(yīng)運而生。

圖 1：1883 年左右由德國韋茨拉爾的恩斯特-萊茨制造的標準顯微鏡，具有當時的典型特征：馬蹄形支架和帶有纖維素漆面的發(fā)黑黃銅部件。當時，所有顯微鏡制造商的產(chǎn)品線中都至少有一個馬蹄形支架。黃銅取代了早期顯微鏡的紙板、木材和象牙。最近，各種塑料也被廣泛使用。

一位僧侶設(shè)計了第一臺體視顯微鏡

真正的體視顯微鏡允許觀察者的每只眼睛通過單獨的專用光路觀察樣品，類似于將兩臺單目顯微鏡合二為一。在開發(fā)單目望遠鏡和顯微鏡的同時，17 世紀人們已經(jīng)開始設(shè)計雙眼儀器。受 1645 年卡普欽修道士安東尼-瑪麗亞-德-萊塔對雙目顯微鏡描述的啟發(fā)，他的同修道士 Chérubin d'Orléans 于 1677 年將人們熟悉的雙目望遠鏡原理應(yīng)用到顯微鏡的設(shè)計中，使雙眼可以同時觀察微小物體（參見圖 2）。他的目標并不是三維圖像或深度知覺；他認為雙眼同時觀察物體可以提高圖像質(zhì)量。英國物理學家查爾斯-惠斯通（Charles Wheatstone）于 1832 年首次描述了立體視覺的原理，但當時人們還不知道立體視覺的原理。

圖 2：1671 年左右由 Chérubin d'Orléans 研發(fā)的雙目顯微鏡。它由兩臺完整的單目顯微鏡組成，每只眼睛一臺^[3]。

1853 年，約翰-萊昂哈德-里德爾（John Leonhard Riddel），一位化學教授和新奧爾良的郵政局長，提出了一種帶有單物鏡和棱鏡系統(tǒng)的雙目顯微鏡（參見圖 3）。圖像是三維的，但令人困惑，因為浮雕看起來是相反的（假視）。

圖 3：約翰-萊昂哈德-里德爾于 1853 年左右開發(fā)的雙目顯微鏡^[4]。

格林諾夫和回旋光學原理

當時的雙目顯微鏡采用簡單的透鏡系統(tǒng)，設(shè)計與傳統(tǒng)的復(fù)式顯微鏡相同。這些顯微鏡只能達到較低的放大倍率，而且工作距離較遠。這種解剖顯微鏡當時主要用于生物學中的解剖目的，在當時并沒有技術(shù)應(yīng)用。

1890 年左右，美國生物學家和動物學家 Horatio S. Greenough（他是美國著名同名雕塑家的兒子，見圖 4）提出了一種設(shè)計原理，至今仍被所有主要光學儀器制造商所采用。基于“格林諾夫原理”的體視顯微鏡（參見圖 5）可以提供真正的高質(zhì)量立體圖像。

1957 年，美國光學公司推出了具有共享主物鏡的現(xiàn)代體視顯微鏡設(shè)計，并將其命名為 Cycloptic（參見圖 6）。其現(xiàn)代化的鋁制外殼包含兩個平行光束通道和主物鏡，以及一個五級放大倍率轉(zhuǎn)換器。這種體視顯微鏡基于望遠鏡或 CMO（共用主物鏡）原理（見圖 7），除格林諾夫型外，所有制造商都采用了這種體視顯微鏡，并將其用于模塊化高性能儀器。兩年后，另一家美國公司博士倫推出了其體視變焦格林諾夫設(shè)計，并進行了突破性的創(chuàng)新：無級放大倍率轉(zhuǎn)換器（變焦）。

圖 4：Horatio S. Greenough 的父親是著名雕塑家 Horatio Greenough。大約在 1832 至 1841 年間，他根據(jù)美國國會的命令，為美國首任總統(tǒng)喬治-華盛頓創(chuàng)作了一座巨型雕像。這座新古典主義雕塑引發(fā)了一場關(guān)于將華盛頓描繪成美國宙斯是否合適的激烈爭論^[5]。

圖 5：格林諾夫原理：兩個完全相同的獨立光學系統(tǒng)以10°至16°的角度固定在同一個支架上。光束路徑上的兩個圖像校正棱鏡（多孔棱鏡）可確保圖像直立且方向正確。

圖 6：一臺Cycloptic顯微鏡，第一臺基于望遠鏡或共同主物鏡 (CMO) 原理的現(xiàn)代體視顯微鏡。

圖 7：望遠鏡或 CMO 原理：光學系統(tǒng)由兩條平行光束路徑和一個共用主物鏡組成，因此被稱為 CMO（共用主物鏡）系統(tǒng)。這種類型的體視顯微鏡有一個可拆卸的觀察管，并且在觀察管透鏡區(qū)域有通用的定制選項。

當今的體視顯微鏡
雖然基本的體視顯微鏡已經(jīng)存在了很長時間，但最近它的作用更加重要。顯微鏡經(jīng)常參與許多日常產(chǎn)品的制造或開發(fā)，尤其是涉及移動設(shè)備等高科技應(yīng)用的產(chǎn)品。同樣的道理也適用于手表，無論它們是豪華型還是經(jīng)濟型。體視顯微鏡還用于醫(yī)療技術(shù)產(chǎn)品，如人工心臟、除顫器或支架。

不過，體視顯微鏡的用途并不局限于制造業(yè)。此外，體視顯微鏡還經(jīng)常用于其他應(yīng)用領(lǐng)域，如法醫(yī)領(lǐng)域，用于收集微觀層面的證據(jù)，如用于給罪犯定罪的小顆粒材料或紡織纖維，以及用于生命科學和材料科學研究。

參考文獻：

1.Robert Koch was a main pioneer in the fields of medical microbiology and bacteriology, discovered the bacteria anthrax bacillus, tuberculosis bacillus, and cholera bacillus, and was awarded the Nobel Prize for Medicine and Physiology in 1905.

2.Rudolf Virchow was a main pioneer in the fields of cytopathology (study of disease at the cellular level), comparative pathology (study of diseases common to humans and animals), anthropology (study of humanity), and ethnology (anthropology focusing on cultures). He proposed the third dictum of cell theory: "Omnis cellula e cellula” (All cells come from cells).

3.W.B. Carpenter, W.H. Dallinger, The Principles and Theory of Vision with the Compound Microscope, Ch. II in The Microscope and Its Revelations, 8th Ed. (P. Blakiston's Son & Co, Philadelphia, 1901) fig. 71, p. 96.

4.W.B. Carpenter, W.H. Dallinger, The History and Development of the Microscope, Ch. III in The Microscope and Its Revelations, 8th Ed. (P. Blakiston's Son & Co, Philadelphia, 1901) fig. 98, p. 131.

5.Frances Benjamin Johnston Photograph Collection, USA Library of Congress, Prints & Photographs Division, Reproduction number LC-DIG-ppmsc-04904.

徠卡的體式顯微鏡可以滿足全方面的觀測需求。

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