显微镜的发展历史

古老的发展历程

从远古时代,人们就渴望看到更多肉眼看不到的事物。 尽管没有人知道是谁第一次使用透镜来观察事物,大多数认为透镜的使用肯定是现代社会发展起来以后才发生的。

然而,令人惊讶的是,2000多年以前就有人曾经用玻璃来折射光的角度。 公元前2世纪,克劳迪思·托勒密发现一根木棍放在水里会变弯,并且非常精确地记判断它的“弯曲”角度不会超过0.5度。 然后,他又计算出了光在水中的折射常数。 

显微镜的历史

公元1世纪,人们发明了玻璃,罗马人透过它观察事物和做各种测试。 他们用各种形状的透明玻璃来做实验,其中就有边缘薄、中间厚的玻璃。 

他们发现,如果你把“镜片“放在物体上,物体会看起来变大了。 这些所谓的镜片其实并不是现代意义上的镜片,应该叫放大镜,或者凸透镜。 ”透镜“这个词是从拉丁语词汇”Lentil“演化过来的,因为它们的形状非常类似于红扁豆。 

与此同时,塞内卡认为是水珠的圆球状特性造成了放大效果。 ”不清楚或微小的字在装满水的圆玻璃球下,可以被放大、变得清楚。“ 制造13世纪,镜片才开始被广泛使用,那时的眼镜商通过磨玻璃的形式来制造镜片。 后来考古发现,大约在1600年,人们通过叠加镜片的形式来制造光学设备。

第一台显微镜

早期的”显微镜“只有一个功能:放大,倍率大概在6倍到10倍。 当时人们非常乐于拿它来观察跳蚤和其他的小昆虫,因此早期的放大镜倍叫做”跳蚤镜“。

列文虎克 大概在1590年,两个荷兰眼镜工匠Zaccharias Janssen和他的父亲Hans开始尝试用镜片。 他们把一些镜片放到圆形管里,然后一项重要的发现就诞生了。 靠近管子底部的物体得到了放大,而且要比任何单放大镜片的放大倍率要高很多。

很大程度上,他们的第一台显微镜可被认为是一种创新,尚不能作为科学仪器使用,因为放大倍率仅有9倍,而且图像有些模糊。 尽管没有一台Jansen制造的显微镜流传于世,荷兰皇室用3个滑管制造出一台设备,全部展开有10英寸长,直径为2英寸。 这台显微镜的放大倍率范围为3到9倍。

世界上第一台真正意义上的显微镜出现在17世纪晚期,发明者是荷兰的布匹商人、显微镜的先驱人物,列文虎克。

他自己磨制出了简易的显微镜,只有一个镜片,可以用手拿着进行观察。 通过创新型方式磨制精品,列文虎克比同时代的人取得了更大的成就。他把一个小玻璃球磨制成了镜片,放大倍数竟然达到了720倍。要知道,当时其他显微镜的放大倍数最高仅有50倍。 他用这个镜片做成了世界上第一台实用显微镜。

列文虎克显微镜

列文虎克把一个凸镜,用螺丝钉连接到一个金属固定器上,于是他的显微镜就做成了。 列文虎克带着他独创的显微镜开始进入科学界,因为他看到了别人在此之前从来都看不到的东西。 在显微镜下,他看到了细菌、酵母、血液细胞和很多水中微小的浮游生物。 人们从来没有意识到显微镜的放大功能也许可以发现事物的结构,也许所有生命都是很多非常细小的东西组成的。在此之前,从来没有人会想到这一点。

复式显微镜

世界上第一台复式显微镜为了提高单镜片显微镜的能力,必须要缩短焦距。 然而,缩短焦距必须要缩短镜片直径,经过一段时间之后,镜片将变得很难看清。

为了解决这个问题,17世纪左右,人们发明了复式显微镜。 这种显微镜使用了不止一个镜片,因此一个镜片下的图像可以接着被另一个镜片放大。

从根本上来说,今天“显微镜”这个词在过去指的就是复式显微镜。 复式显微镜里,紧贴着物体的镜片叫做“物镜”,紧贴着眼睛的就叫做“目镜”。

任何显微镜的功能都是为了增强分辨率。 显微镜用来放大物体的形状,因此我们可以用来观察那些肉眼看不到的事物。 正因如此,人们常常搞不清分辨率与放大倍率的区别。“放大倍率”其实指的是图像的尺寸。 一般,放大倍率越大,分辨率就越高,但是特殊情况下则不然。 镜片设计有很多局限性,有时候会导致放大倍率增大了,分辨率却没有提高。 在放大倍率和分辨率之间难以兼得的原因,在于人眼看待这两种物体的能力有限。

英国人罗伯特虎克用显微镜发现了所有生命的基本组成部分:细胞,从而被公认为是显微镜历史上最重要的事件, 17世纪中期,虎克在研究软木塞的时候,发现了网格结构,这使他想起了修道院里叫“cells”的小房间。 虎克也被认为是第一个使用三镜片的人,到现在显微镜仍然有采用三镜片设计。

后续发展

在显微镜早期,由于玻璃的质量较低,镜片的形状也有很多瑕疵,所以人们用显微镜看到的物体形状比较歪曲。 直到19世纪中期,显微镜技术得到跳跃性的提升,逐渐有了现代显微镜的特性。 德国蔡司和一家查尔斯斯宾塞创办的公司开始生产高质量的光学设备。 我们还应该提到Ernst Abbe,是他开始了光学定律的理论研究;还有Otto Schott,对光学玻璃展开了深入研究。

为了降低显微镜的重量,并提高其分辨率,有三个基本的问题要克服:

  • 色差: 光透过镜片,光色会发生不规则的弯曲。 这个难题被18世纪30年代的Chester Hall解决了。 他发现,如果使用不同形状和不同光线弯曲特性的第二镜片,他可以重新对齐颜色,无需牺牲第一镜片的放大倍率。
色差

色差顶部 - 使用高质量镜片进行照片拍摄

 

底部 - 使用广角镜头拍摄,显示可视色差(尤其是在右边的黑暗边缘)。

球面像差: 光打在不同的镜片部位上,会出现不规则弯曲 Joseph Jackson Lister在1830年解决了这个问题。 他发现,把镜片按照精密的距离进行排列,第一个镜片的像差被消除了。 低能力、低曲率的镜片可以做成最小像差,使用这种类型的镜片,然后放在一些列镜片的第一位置,球面像差的问题迎刃而解。

球面像差一个完美的镜片(放在顶部)可以聚集所有的入射光线,指向光轴的某一点。 一个有球面像差的实体镜片(放在底部)吸收了球面像差: 如果光线进入镜片的距离远于光轴,而不是靠近光轴,那么镜片可以把光线聚集的更紧密。 因此无法生成一个完美的焦点。

恩斯特阿贝显微镜第三个问题是,作为一台显微镜,最好的形状就是圆锥体,因此它能够尽可能地聚集更多的光。 恩斯特阿贝在1870年左右解决了这一难题。 他使用水浸或油浸镜片最大化地完成了光的聚集,改变了使用物镜收集光的物理定律。 阿贝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纳米的分辨率已经是光的波长所能施加影响的物理学极限了。

现代显微镜

自从光学定律得到良好理解之后,人们已经达到了光学的极致了,因此近些年显微镜的发展速度也开始变慢, 大多数显微镜都遵循同样的结构定律,类型无怪乎三种:单目、双目和体视双目显微镜。

当显微镜设计的技术难度达到一个临界点时,Vision Engineering 选择了日常应用的舒适友好程度作为突破点,开始了新的进化。

专利技术

Vision Engineering 的专利Dynascope™无目镜显微镜技术消除了传统显微镜对目镜的需要使用传统的目镜显微镜,被观察的图像退出显微镜目镜时是强烈、狭窄的光束(直径约3毫米),用户必须将其眼睛精确对准图像。Dynascope™技术把这一直径变成了100毫米。 该设计的最大优点就是提高了操作人员的头部活动自由. 这意味着显微镜可以更加高效、简便地应用在任何领域。

人机工学无目镜技术消除了显微镜对传统目镜的需要。

Vision Engineering的专利技术的核心是采用了多透镜转盘,由几百万个微透镜组成,每个透镜的直径都在几微米左右,能进行独立表面成像。 多透镜转盘高速旋转,汇聚数百万条独立的光程,从而形成无像差的高清图像。 于是一个无与伦比的符合人机工学的系统诞生了,给予操作人员极大的操作舒适性,降低了疲劳,提高了产品质量和生产效率。

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