顯微鏡的發(fā)展歷史

古老的發(fā)展歷程

從遠古時代，人們就渴望看到更多肉眼看不到的事物。 盡管沒有人知道是誰第一次使用透鏡來觀察事物，大多數(shù)認為透鏡的使用肯定是現(xiàn)代社會發(fā)展起來以后才發(fā)生的。

然而，令人驚訝的是，2000多年以前就有人曾經(jīng)用玻璃來折射光的角度。 公元前2世紀，克勞迪思·托勒密發(fā)現(xiàn)一根木棍放在水里會變彎，并且非常精確地記判斷它的“彎曲”角度不會超過0.5度。 然后，他又計算出了光在水中的折射常數(shù)。 

公元1世紀，人們發(fā)明了玻璃，羅馬人透過它觀察事物和做各種測試。 他們用各種形狀的透明玻璃來做實驗，其中就有邊緣薄、中間厚的玻璃。 

他們發(fā)現(xiàn)，如果你把“鏡片“放在物體上，物體會看起來變大了。 這些所謂的鏡片其實并不是現(xiàn)代意義上的鏡片，應(yīng)該叫放大鏡，或者凸透鏡。 ”透鏡“這個詞是從拉丁語詞匯”Lentil“演化過來的，因為它們的形狀非常類似于紅扁豆。 

與此同時，塞內(nèi)卡認為是水珠的圓球狀特性造成了放大效果。 ”不清楚或微小的字在裝滿水的圓玻璃球下，可以被放大、變得清楚。“ 制造13世紀，鏡片才開始被廣泛使用，那時的眼鏡商通過磨玻璃的形式來制造鏡片。 后來考古發(fā)現(xiàn)，大約在1600年，人們通過疊加鏡片的形式來制造光學(xué)設(shè)備。

第一臺顯微鏡

早期的”顯微鏡“只有一個功能：放大，倍率大概在6倍到10倍。 當(dāng)時人們非常樂于拿它來觀察跳蚤和其他的小昆蟲，因此早期的放大鏡倍叫做”跳蚤鏡“。

大概在1590年，兩個荷蘭眼鏡工匠Zaccharias Janssen和他的父親Hans開始嘗試用鏡片。 他們把一些鏡片放到圓形管里，然后一項重要的發(fā)現(xiàn)就誕生了。 靠近管子底部的物體得到了放大，而且要比任何單放大鏡片的放大倍率要高很多。

很大程度上，他們的第一臺顯微鏡可被認為是一種創(chuàng)新，尚不能作為科學(xué)儀器使用，因為放大倍率僅有9倍，而且圖像有些模糊。 盡管沒有一臺Jansen制造的顯微鏡流傳于世，荷蘭皇室用3個滑管制造出一臺設(shè)備，全部展開有10英寸長，直徑為2英寸。 這臺顯微鏡的放大倍率范圍為3到9倍。

世界上第一臺真正意義上的顯微鏡出現(xiàn)在17世紀晚期，發(fā)明者是荷蘭的布匹商人、顯微鏡的先驅(qū)人物，列文虎克。

他自己磨制出了簡易的顯微鏡，只有一個鏡片，可以用手拿著進行觀察。 通過創(chuàng)新型方式磨制精品，列文虎克比同時代的人取得了更大的成就。他把一個小玻璃球磨制成了鏡片，放大倍數(shù)竟然達到了720倍。要知道，當(dāng)時其他顯微鏡的放大倍數(shù)最高僅有50倍。 他用這個鏡片做成了世界上第一臺實用顯微鏡。

列文虎克把一個凸鏡，用螺絲釘連接到一個金屬固定器上，于是他的顯微鏡就做成了。 列文虎克帶著他獨創(chuàng)的顯微鏡開始進入科學(xué)界，因為他看到了別人在此之前從來都看不到的東西。 在顯微鏡下，他看到了細菌、酵母、血液細胞和很多水中微小的浮游生物。 人們從來沒有意識到顯微鏡的放大功能也許可以發(fā)現(xiàn)事物的結(jié)構(gòu)，也許所有生命都是很多非常細小的東西組成的。在此之前，從來沒有人會想到這一點。

復(fù)式顯微鏡

為了提高單鏡片顯微鏡的能力，必須要縮短焦距。 然而，縮短焦距必須要縮短鏡片直徑，經(jīng)過一段時間之后，鏡片將變得很難看清。

為了解決這個問題，17世紀左右，人們發(fā)明了復(fù)式顯微鏡。 這種顯微鏡使用了不止一個鏡片，因此一個鏡片下的圖像可以接著被另一個鏡片放大。

從根本上來說，今天“顯微鏡”這個詞在過去指的就是復(fù)式顯微鏡。 復(fù)式顯微鏡里，緊貼著物體的鏡片叫做“物鏡”，緊貼著眼睛的就叫做“目鏡”。

任何顯微鏡的功能都是為了增強分辨率。 顯微鏡用來放大物體的形狀，因此我們可以用來觀察那些肉眼看不到的事物。 正因如此，人們常常搞不清分辨率與放大倍率的區(qū)別。“放大倍率”其實指的是圖像的尺寸。 一般，放大倍率越大，分辨率就越高，但是特殊情況下則不然。 鏡片設(shè)計有很多局限性，有時候會導(dǎo)致放大倍率增大了，分辨率卻沒有提高。 在放大倍率和分辨率之間難以兼得的原因，在于人眼看待這兩種物體的能力有限。

英國人羅伯特虎克用顯微鏡發(fā)現(xiàn)了所有生命的基本組成部分：細胞，從而被公認為是顯微鏡歷史上最重要的事件， 17世紀中期，虎克在研究軟木塞的時候，發(fā)現(xiàn)了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這使他想起了修道院里叫“cells”的小房間。 虎克也被認為是第一個使用三鏡片的人，到現(xiàn)在顯微鏡仍然有采用三鏡片設(shè)計。

后續(xù)發(fā)展

在顯微鏡早期，由于玻璃的質(zhì)量較低，鏡片的形狀也有很多瑕疵，所以人們用顯微鏡看到的物體形狀比較歪曲。 直到19世紀中期，顯微鏡技術(shù)得到跳躍性的提升，逐漸有了現(xiàn)代顯微鏡的特性。 德國蔡司和一家查爾斯斯賓塞創(chuàng)辦的公司開始生產(chǎn)高質(zhì)量的光學(xué)設(shè)備。 我們還應(yīng)該提到Ernst Abbe，是他開始了光學(xué)定律的理論研究；還有Otto Schott，對光學(xué)玻璃展開了深入研究。

為了降低顯微鏡的重量，并提高其分辨率，有三個基本的問題要克服：

  ●  色差： 光透過鏡片，光色會發(fā)生不規(guī)則的彎曲。 這個難題被18世紀30年代的Chester Hall解決了。 他發(fā)現(xiàn)，如果使用不        同形狀和不同光線彎曲特性的第二鏡片，他可以重新對齊顏色，無需犧牲第一鏡片的放大倍率。

頂部 - 使用高質(zhì)量鏡片進行照片拍攝

底部 - 使用廣角鏡頭拍攝，顯示可視色差（尤其是在右邊的黑暗邊緣）。

球面像差： 光打在不同的鏡片部位上，會出現(xiàn)不規(guī)則彎曲 Joseph Jackson Lister在1830年解決了這個問題。 他發(fā)現(xiàn)，把鏡片按照精密的距離進行排列，第一個鏡片的像差被消除了。 低能力、低曲率的鏡片可以做成最小像差，使用這種類型的鏡片，然后放在一些列鏡片的第一位置，球面像差的問題迎刃而解。

一個完美的鏡片（放在頂部）可以聚集所有的入射光線，指向光軸的某一點。 一個有球面像差的實體鏡片（放在底部）吸收了球面像差： 如果光線進入鏡片的距離遠于光軸，而不是靠近光軸，那么鏡片可以把光線聚集的更緊密。 因此無法生成一個完美的焦點。

第三個問題是，作為一臺顯微鏡，最好的形狀就是圓錐體，因此它能夠盡可能地聚集更多的光。 恩斯特阿貝在1870年左右解決了這一難題。 他使用水浸或油浸鏡片最大化地完成了光的聚集，改變了使用物鏡收集光的物理定律。 阿貝能取得的最大分辨率在10倍左右，比100年前的列文虎克要好一些。 0.2微米或200納米的分辨率已經(jīng)是光的波長所能施加影響的物理學(xué)極限了。

現(xiàn)代顯微鏡

自從光學(xué)定律得到良好理解之后，人們已經(jīng)達到了光學(xué)的極致了，因此近些年顯微鏡的發(fā)展速度也開始變慢， 大多數(shù)顯微鏡都遵循同樣的結(jié)構(gòu)定律，類型無怪乎三種：單目、雙目和體視雙目顯微鏡。

當(dāng)顯微鏡設(shè)計的技術(shù)難度達到一個臨界點時，Vision Engineering 選擇了日常應(yīng)用的舒適友好程度作為突破點，開始了新的進化。

專利技術(shù)

Vision Engineering 的專利Dynascope™無目鏡顯微鏡技術(shù)消除了傳統(tǒng)顯微鏡對目鏡的需要使用傳統(tǒng)的目鏡顯微鏡，被觀察的圖像退出顯微鏡目鏡時是強烈、狹窄的光束（直徑約3毫米），用戶必須將其眼睛精確對準圖像。Dynascope™技術(shù)把這一直徑變成了100毫米。 該設(shè)計的最大優(yōu)點就是提高了操作人員的頭部活動自由. 這意味著顯微鏡可以更加高效、簡便地應(yīng)用在任何領(lǐng)域。

Vision Engineering的專利技術(shù)的核心是采用了多透鏡轉(zhuǎn)盤，由幾百萬個微透鏡組成，每個透鏡的直徑都在幾微米左右，能進行獨立表面成像。 多透鏡轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)，匯聚數(shù)百萬條獨立的光程，從而形成無像差的高清圖像。 于是一個無與倫比的符合人機工學(xué)的系統(tǒng)誕生了，給予操作人員極大的操作舒適性，降低了疲勞，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。