光学显微镜的发展历史——二十世纪及之后的显微科学

显微镜(microscope)是一种借助物理方法产生物体放大影像的仪器。最早发明于16世纪晚期,至今已有400多年的历史。现在,它已经成为了一种极为重要的科学仪器,广泛地用于生物、化学、物理、冶金、酿造等各种科研活动,对人类的发展做出了巨大而卓越的贡献。

光学显微镜的发展历史系列:

  1. 十六世纪的显微科学
  2. 十七世纪的显微科学
  3. 十八世纪的显微科学
  4. 十九世纪的显微科学
  5. 二十世纪及之后的显微科学

二十世纪的显微科学

过去的那一个世纪是一个激动人心的世纪。各种学科都得到了极大的发展,尤其是自然科学,显微科学也不例外。由于人们在物理、数学和材料科学等领域取得了非常大的进展,显微镜的质量大大提高,各种新型的显微镜也应运而生。比如倒置显微镜偏振光显微镜荧光显微镜、相差显微镜、微分干涉显微镜、电子显微镜以及最先进的共焦激光扫描显微镜(CLSM)和扫描隧道电子显微镜(STM)。各种新技术也相继出现:如免疫荧光技术、基因工程技术等。年轻的数字成像技术开始了用计算机来处理传送显微影象的时代,使人们记录显微影像的方式又前进了一步。人们采用这些先进的技术相继发现了细胞的各种精细结构,如细胞骨架、遗传物质RNA和DNA,各种病毒粒子和蛋白质分子也被人们看到。1982年,扫描隧道电子显微镜被发明,这种显微镜具有极高的分辨率(0.1埃,即百亿分之一米),人们用它第一次看到了原子;在1989年人们又用它拍到了清晰的DNA的照片。

二十世纪中比较具有代表性的显微镜有: 

James Swift与Son的双目解剖显微镜 

在二十世纪初出现了双目显微镜。这种显微镜比起传统的单目显微镜来明显的好处就是观察者可以有更广阔的视野而且也更加附和人的视觉习惯,使眼部疲劳减轻。在这种显微镜的镜身内装有一个精巧的玻璃棱镜,它使从物镜来的光束分为两道并且改变方向(使光束与地面成一定的角度,而不是原来的与地面垂直的方向),分别进入人的两只眼睛。这种结构被后来的高级显微镜广为采用。

同时代的解剖镜还有: 

Bausch和Lomb解剖显微镜

现代解剖显微镜的结构都是以这个显微镜为模板。

最经典的复式显微镜:Zeiss实验室显微镜

这种显微镜与我们今天所使用的一些普通显微镜一模一样。事实上,我们现在所使用的一些普通型显微镜的结构都是以它为模板的。由于这种显微镜性能好,价格低廉,所以在一上市的时候就得到了人们的青睐,很快占领了各大实验室和医院等地方。成为至今为止最畅销的复式显微镜,为科学的发展作出了巨大贡献。  

当时与这种显微镜结构相近的显微镜有:

Andrew Ross的显微镜

 

W·Watson和Sons的显微镜

Bausch和Lomb的显微镜

它们都是最早具有(物镜)转换器的显微镜。转换器的出现,使一个显微镜变换出更多的放大倍数。

1933年,德国人鲁斯卡(Ruska)设计制造了第一台电子显微镜,其性能远远超过了光学显微镜。后来经过人们的努力,电子显微镜的分辨率由最初的500纳米(百万分之五米)提高到现在的1埃(十亿分之一米);放大率已达到几十万倍以上。从50年代开始,研究者们应用电子显微镜相继取得了很多重要成就。可以说,电子显微镜的出现大大推动了人类的科学研究。

西门子电子显微镜——Siemens Elmiskop IA Transmission Electron Microscope

虽然显微摄影术在十九世纪中叶就已经出现,但由于当时照相技术本身的不成熟,十九世纪的显微摄影术并没有被广泛地使用。直到二十世纪初,由于在胶片和相机的制造技术上取得了突破,显微摄影才开始被广泛地使用起来,逐步成为了记录显微图像的主要方式之一。新兴的数码成像技术更是把显微摄影技术推向了一个新高峰,使显微科学与数字技术的发展牢固地结合起来,为人类的科学发展做出贡献。

数码显微镜

总观显微科学四百多年的历史,我们可以看到,任何一个学科的发展都离不开其它学科的支持。各种学科的互相穿插,交融在今天的科学研究中已显得越来越重要。这是社会发展的必然结果,是不可阻挡的潮流。 

新型的现代光学显微镜

新型的现代光学显微镜在视场清晰范围、中心偏离程度(也就是合轴程度)、齐焦性能等方面已达到高度完善,其数值孔径已接近极限,视场中心的分辨率与理论值之区别已微乎其微。但继续增大显微物镜视场与提高视场边缘成像质量的可能性仍然存在,这种研究工作,至今仍在进行。在显微镜本身结构发展的同时,显微观察技术也在不断创新:1850年出现了偏光显微术;1893年出现了干涉显微术;1935年荷兰物理学家泽尔尼克创造了相衬显微术,他为此在1953年获得了诺贝尔物理学奖。 现代光学显微镜中还有微分干涉相衬显微镜、光声显微镜、激光共聚焦显微镜等,显微观察技术与产品应用得到快速的发展。 

更多的新型显微镜层出不穷,在此就不一一列举了,随着科学技术的发展也将产生更多更好的显微成像系统。

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