體視顯微鏡的發(fā)展歷史

瀏覽次數(shù)：448　發(fā)布日期：2024-9-20　來(lái)源：徠卡顯微鏡

19 世紀(jì)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(jì)中葉，所有光學(xué)顯微鏡都是手工制作的。由于無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)透鏡的特性，因此必須通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)制作和測(cè)試透鏡，直到達(dá)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(jì)和制造高性能體視顯微鏡提供了科學(xué)依據(jù)。

顯微鏡的改進(jìn)帶來(lái)醫(yī)學(xué)上的突破性發(fā)現(xiàn)
顯微鏡的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)逐漸形成，在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的早期，許多光學(xué)儀器制造商都采用了這些標(biāo)準(zhǔn)（參見(jiàn)圖 1）。顯微鏡設(shè)計(jì)的進(jìn)步使植物學(xué)、組織學(xué)、細(xì)胞學(xué)、細(xì)菌學(xué)和醫(yī)學(xué)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(xué)進(jìn)步。與此同時(shí)，用于標(biāo)本固定、包埋和切片（如使用顯微切片機(jī)）的合適方法以及專(zhuān)用染色劑和防腐劑也應(yīng)運(yùn)而生。

圖 1：1883 年左右由德國(guó)韋茨拉爾的恩斯特-萊茨制造的標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡，具有當(dāng)時(shí)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(dāng)時(shí)，所有顯微鏡制造商的產(chǎn)品線中都至少有一個(gè)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(jì)了第一臺(tái)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(guò)單獨(dú)的專(zhuān)用光路觀察樣品，類(lèi)似于將兩臺(tái)單目顯微鏡合二為一。在開(kāi)發(fā)單目望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的同時(shí)，17 世紀(jì)人們已經(jīng)開(kāi)始設(shè)計(jì)雙眼儀器。受 1645 年卡普欽修道士安東尼-瑪麗亞-德-萊塔對(duì)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(yuǎn)鏡原理應(yīng)用到顯微鏡的設(shè)計(jì)中，使雙眼可以同時(shí)觀察微小物體（參見(jiàn)圖 2）。他的目標(biāo)并不是三維圖像或深度知覺(jué)；他認(rèn)為雙眼同時(shí)觀察物體可以提高圖像質(zhì)量。英國(guó)物理學(xué)家查爾斯-惠斯通（Charles Wheatstone）于 1832 年首次描述了立體視覺(jué)的原理，但當(dāng)時(shí)人們還不知道立體視覺(jué)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(tái)完整的單目顯微鏡組成，每只眼睛一臺(tái)^[3]。

1853 年，約翰-萊昂哈德-里德?tīng)枺↗ohn Leonhard Riddel），一位化學(xué)教授和新奧爾良的郵政局長(zhǎng)，提出了一種帶有單物鏡和棱鏡系統(tǒng)的雙目顯微鏡（參見(jiàn)圖 3）。圖像是三維的，但令人困惑，因?yàn)楦〉窨雌饋?lái)是相反的（假視）。

圖 3：約翰-萊昂哈德-里德?tīng)栍?1853 年左右開(kāi)發(fā)的雙目顯微鏡^[4]。

格林諾夫和回旋光學(xué)原理

當(dāng)時(shí)的雙目顯微鏡采用簡(jiǎn)單的透鏡系統(tǒng)，設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的復(fù)式顯微鏡相同。這些顯微鏡只能達(dá)到較低的放大倍率，而且工作距離較遠(yuǎn)。這種解剖顯微鏡當(dāng)時(shí)主要用于生物學(xué)中的解剖目的，在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有技術(shù)應(yīng)用。

1890 年左右，美國(guó)生物學(xué)家和動(dòng)物學(xué)家 Horatio S. Greenough（他是美國(guó)著名同名雕塑家的兒子，見(jiàn)圖 4）提出了一種設(shè)計(jì)原理，至今仍被所有主要光學(xué)儀器制造商所采用�；�“格林諾夫原理”的體視顯微鏡（參見(jiàn)圖 5）可以提供真正的高質(zhì)量立體圖像。

1957 年，美國(guó)光學(xué)公司推出了具有共享主物鏡的現(xiàn)代體視顯微鏡設(shè)計(jì)，并將其命名為 Cycloptic（參見(jiàn)圖 6）。其現(xiàn)代化的鋁制外殼包含兩個(gè)平行光束通道和主物鏡，以及一個(gè)五級(jí)放大倍率轉(zhuǎn)換器。這種體視顯微鏡基于望遠(yuǎn)鏡或 CMO（共用主物鏡）原理（見(jiàn)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(guó)公司博士倫推出了其體視變焦格林諾夫設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了突破性的創(chuàng)新：無(wú)級(jí)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(guó)國(guó)會(huì)的命令，為美國(guó)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(chǎng)關(guān)于將華盛頓描繪成美國(guó)宙斯是否合適的激烈爭(zhēng)論^[5]。

圖 5：格林諾夫原理：兩個(gè)完全相同的獨(dú)立光學(xué)系統(tǒng)以10°至16°的角度固定在同一個(gè)支架上。光束路徑上的兩個(gè)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(tái)Cycloptic顯微鏡，第一臺(tái)基于望遠(yuǎn)鏡或共同主物鏡 (CMO) 原理的現(xiàn)代體視顯微鏡。

圖 7：望遠(yuǎn)鏡或 CMO 原理：光學(xué)系統(tǒng)由兩條平行光束路徑和一個(gè)共用主物鏡組成，因此被稱為 CMO（共用主物鏡）系統(tǒng)。這種類(lèi)型的體視顯微鏡有一個(gè)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(xiàng)。

當(dāng)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(zhǎng)時(shí)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(kāi)發(fā)，尤其是涉及移動(dòng)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(wú)論它們是豪華型還是經(jīng)濟(jì)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(guò)，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(xué)和材料科學(xué)研究。

參考文獻(xiàn)：

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(cè)需求。

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